ISSN 2096--8930

CODEN TYXWAG

CN 10--1706/TN

Beijing, China

4 3 Vol.4 No.3 2023 9 Sep. 2023

中国科技核心期刊

主 管 单 位　工业和信息化部

主 办 单 位　人民邮电出版社有限公司

指 导 单 位　中国卫星网络集团有限公司

出 版 单 位　北京信通传媒有限责任公司

主 　 　 编　陆　军

执 行 主 编　吴　巍

副 主 编　汪春霆　李建明　吕子平

朱德成　孙启彬　刘华鲁

编 辑 部 主 任　牛晓敏

编辑部副主任　赵路路

编 辑 单 位　《天地一体化信息网络》 编辑部

地 　 　 址　北京市丰台区成寿寺路11号邮电出版大厦8层

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国际标准连续出版物号　ISSN 2096-8930

国内统一连续出版物号　CN 10-1706/TN

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发 行 代 号　国内80-791

印 　 　 刷　北京艾普海德印刷有限公司

定 　 　 价　60.00元

法 律 顾 问　北京市蓝石律师事务所

Space-Integrated-Ground

Information Networks

(Quarterly, started in 2020)

Vol.4 No.3 (Serial No.13), Sep. 2023

天地一体化信息网络

TIANDI YITIHUA XINXI WANGLUO

（季刊，2020年创刊）

第4卷 第3期（总第13期），2023年9月

Competent Unit: Ministry of Industry and Information Technology of the

People's Republic of China

Sponsor: Posts & Telecom Press Co., Ltd.

Guiding Unit: China Satellite Network Group Co., Ltd.

Publisher: China InfoCom Media Group

Editor: Editor Department of Space-Integrated-Ground Information Networks

Editor-in-Chief: LU Jun

Executive Editor-in-Chief: WU Wei

Associate Editor-in-Chief: WANG Chunting, LI Jianming, LYU Ziping,

ZHU Decheng, SUN Qibin, LIU Hualu

Director of Editorial Department: NIU Xiaomin

Deputy Director of Editorial Department: ZHAO Lulu

Address: F8, You Dian Publishing Building, No.11, Chengshousi Road, Fengtai

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《天地一体化信息网络》

第一届编辑委员会

顾 问 委 员：（按姓氏笔画排序）

　王小谟　方滨兴　尹　浩　邬江兴

　邬贺铨　刘韵洁　吴建平　沈荣骏

　张　平　张宏科　陆建华　周志成

　郑纬民　姜会林

主 任 委 员：陆　军

常务副主任委员：吴　巍

副 主 任 委 员：汪春霆　李建明　吕子平

　朱德成　孙启彬　刘华鲁

委 员：（按姓氏笔画排序）

　丁　睿　马　晶　王文博　 王艳君

　王敬超　云晓春　尤肖虎　方　芳

　冯志勇　匡麟玲　吕瑞峰　朱立东

　向开恒　江　涛　江　鹏　许燕宾

　孙　伟　孙晨华　李　聪　李凤华

　李拂晓　李国通　肖永伟　吴　枫

　邹永庆　邹光南　闵长宁　张　琳

　张在琛　张先超　张更新　张学庆

　张钦宇　张海君　陆　洲　陈山枝

　 　易东山　罗洪斌　和新阳　季新生

　 　周家喜　郑作亚　施　闯　姚发海

　 　姚海鹏　贾　敏　黄照祥　梅　强

　 　曹双僖　曹桂兴　盛　敏　梁宗闯

　 　梁海滨　谢海永　缐珊珊　潘　冀

　 　薛晓翃

学术秘书长： 韩增尧

学术副秘书长： 孙娉娉　李文杰

学 术 秘 书：翟立君　徐晓帆

　王小谟　方滨兴　尹　浩　邬江兴

天地一体化信息网络

第 4 卷第 3 期 2023 年 9 月

目 次

专题：面向 6G 的星地融合移动通信

面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技术 .............................................................................................

.......................................................................... 宋雅琴 徐 晖 刘险峰 王亚鹏 程志密 王胡成 陈山枝 3

面向星地协同的接入网架构与关键技术 ................................................................................................................

........................................................................ 邓 伟 赵 琳 翁玮文 杜 琴 马 克 程锦霞 张 龙 12

卫星云网：一种云网融合的卫星网络体系架构 ........................ 虞志刚 丁文慧 陆 洲 冯 旭 高吉星 23

卫星物联网系统的新型多址接入技术.........................白 伟 张钰婕 康绍莉 缪德山 孙韶辉 陈山枝 31

低轨卫星通导一体化信号设计及处理........................................ 刘炳宏 赵亚飞 彭木根 赵祥天 封慧琪 40

空间卫星网络组网与管控技术综述 ............................廖新悦 张 然 黄正璇 刘 江 唐琴琴 黄 韬 48

星地融合网络中基于多目标优化的星间切换决策方法 ............................................ 刘人鹏 胡 博 李鹤群 59

卫星星座网络容量密度评估 ........................................孟 贤 秦大力 汪 宇 孔垂丽 罗禾佳 王 俊 67

星地融合通信系统：网络架构、使能技术及原型验证 ........................................................................................

........................................................................................丁 睿 房天昊 王闻今 刘 雨 马 伟 万 屹 79

研究

面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述 .....................苏昭阳 刘 留 张嘉驰 周 涛 蔺 伟 梁轶群 88

卫星确定性网络关键技术和挑战 ................................纪若愚 张恒升 刘美慧 李 鹤 许方敏 赵成林 99

基于 SDN 的智能安全接入平台研究 ......................................................................... 李 鹏 杨跃平 杨 扬 107

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.4 No.3, September 2023

Contents

Special Issue: Integrated Terrestrial and Satellite Communication toward 6G

Cloud-Edge Collaboration Architecture and Key Technologies for 6G Integrated Satellite and Terrestrial Network

............... SONG Yaqin, XU Hui, LIU Xianfeng, WANG Yapeng, CHENG Zhimi, WANG Hucheng, CHEN Shanzhi 3

Architecture and Key Technologies of Access Network for Satellite-Terrestrial Cooperation ..................................

.................................... DENG Wei, ZHAO Lin, WENG Weiwen, DU Qin, MA Ke, CHENG Jinxia, ZHANG Long 12

Satellite Cloud Network: A Satellite Network Architecture Based on Cloud-Network ntegration ............................

................................................................................ YU Zhigang, DING Wenhui, LU Zhou, FENG Xu, GAO Jixing 23

New Multiple Access Technologies for Satellite Internet of Things System .............................................................

.......................................... BAI Wei, ZHANG Yujie, KANG Shaoli, MIAO Deshan , SUN Shaohui, CHEN Shanzhi 31

Design and Processing of Communication and Navigation Integrated Signal Based on LEO Satellite ....................

........................................................... LIU Binghong, ZHAO Yafei, PENG Mugen, ZHAO Xiangtian, FENG Huiqi 40

Review on Networking and Control Technologies of Space Satellite Network ........................................................

.................................... LIAO Xinyue, ZHANG Ran, HUANG Zhengxuan, LIU Jiang, TANG Qinqin, HUANG Tao 48

Inter-Satellite Handover Method Based Multi-Objective Optimization in Satellite-Terrestrial Integrated Network

............................................................................................................................... LIU Renpeng, HU Bo, LI Hequn 59

Capacity Density Assessment of Satellite Constellation Network .............................................................................

............................................................. MENG Xian, QIN Dali, WANG Yu, KONG Chuili, LUO Hejia, WANG Jun 67

Integrated Satellite-Terrestrial Communication Systems: Architectures, Enabling Technologies and Prototype

Verification ................................................... DING Rui, FANG Tianhao, WANG Wenjin, LIU Yu, MA Wei, WAN Yi 79

Studies

Review of the Development of Low Earth Orbit Satellite Communication for Smart High-Speed Railway ............

....................................................... SU Zhaoyang, LIU Liu, ZHANG Jiachi, ZHOU Tao, LIN Wei, LIANG Yiqun 88

Key Technologies and Challenges of Satellite Deterministic Network .....................................................................

................................................ JI Ruoyu, ZHANG Hengsheng, LIU Meihui, LI He, XU Fangmin, ZHAO Chenglin 99

Research on Intelligent Security Access Platform Based on SDN.................. LI Peng, YANG Yueping, YANG Yang 107

专题：面向 6G 的星地融合移动通信

专 题 导 读

我国地面移动通信技术经历了“3G 突破、4G 并跑、

5G 引领”的跨越式发展，已在全球率先开展 6G 技术研究。

近年来，以巨型星座构建为基础的低轨卫星互联网技术，

成为无线通信领域新的竞争赛道和焦点，同时对国家战

略、空间安全和社会经济发展产生重要影响。

卫星通信与地面移动通信融合（简称星地融合移动

通信），成为 6G 技术的重要发展方向，通过对两者的无

线传输技术、网络架构与安全、终端接入与认证等方面

进行深度融合，可以构建天地一体、全球立体无缝覆盖

的统一移动信息网络，满足万物互联、无限沟通的美好

愿景。

面向 6G 星地融合移动通信技术，国内相关企业、研

究机构和高等院校持续开展关键技术研究、标准推进和技

术验证等工作，推动我国的星地融合技术和产业快速发

展，将有力支撑我国卫星互联网国家战略实施。

本专题特邀请国内知名研究机构、高等院校、企业的

专家学者，对面向 6G 的星地融合移动通信进行分析研究，

涉及星地融合的网络架构、空中接口传输、组网、技术验

证等方面，希望这些真知灼见对深入了解 6G 星地融合技

术并进行后续标准推进及技术验证有所帮助。

《面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技

术》分析 6G 星地融合网络的场景和需求，提出一种结

合算力网络技术实现星地融合网络的云边协同网络架

构，以及星地融合的统一资源管理机制，包括管理卫星

和地面的算力资源与网络资源的全局资源感知技术、协

同星地融合网络中云计算和边缘计算能力的调度策略生

成技术，并通过自研的移动通信网络平台验证了所提云

边协同网络架构的合理性以及资源感知技术和策略调度

技术的正确性。

《面向星地协同的接入网架构与关键技术》分析星地

协同的接入网架构面临的主要技术挑战，从空间段、地面

段及星地协同段阐述面向星地协同的接入网架构，提出对

应的覆盖协同、业务协同、节能协同与测控协同的关键技

术，提高系统在资源利用率、能源消耗以及网络建设成本

等方面的整体性能。

《卫星云网：一种云网融合的卫星网络体系架构》梳

理卫星网络发展架构的发展路线，提出一种云网融合的卫

星网络体系架构，并从通信接入、网络传输、服务、控制、

管理等 5 个方面分析卫星云网架构相较于传统卫星网络架

构的优势，以期为后续卫星网络的研究、建设和标准化提

供有价值的建议和参考。

《卫星物联网系统的新型多址接入技术》分析 IoT

NTN 在技术方案方面的不足，进而提出非协调的随机接

入和非正交多址传输技术。理论分析和数值仿真结果表

明，URAT 方案能够降低多址接入时延，提高系统效率，

增加可以服务的终端数量，将是面向 6G 空天地一体物联

网场景的潜在解决方案。

《低轨卫星通导一体化信号设计及处理》梳理低轨卫

星通导融合的演进过程，并围绕发送信号设计和接收信号

处理，阐述了帧结构和接收机设计的相关方案，最后探讨

未来所面临的挑战及潜在解决方案。

《空间卫星网络组网与管控技术综述》调研已有的多

种卫星网络的组网架构和协议体系，分析对大规模卫星网

络进行卫星管控的难点和关键技术，并基于星地融合的组

·2· 天地一体化信息网络 第 4 卷

网方式，对现有方案进行调研与分析。

《星地融合网络中基于多目标优化的星间切换决策方

法》引入卫星覆盖时空图，将动态连续拓扑划分为静态离

散快照，表征卫星节点与用户在不同时间与空间下的连接

关系，建立星间切换决策的多目标优化模型，提出自适应

加速多目标优化算法对平均数据速率与网络负载进行优

化，保证切换成功率，提高网络服务能力。

《卫星星座网络容量密度评估》提出一种系统仿真方

法，以对卫星网络及星地一体化网络的容量密度指标进行

精确评估，评估了地球不同经纬度区域的容量密度，并采

用提升最大点亮波束数、卫星规模、卫星天线增益等多种

技术手段来提升星座容量密度。

《星地融合通信系统：网络架构、使能技术及原型验

证》分析卫星网络中存在的大时延、大频偏、大小区半

径等区别于地面网络的特性，分析星地融合网络的发展

挑战，探讨星地融合网络的网络架构和使能关键技术，

并分析一种可用于星地融合网络地面验证的原型系统。

本专题汇集了面向 6G 的星地融合移动通信相关的研

究成果，既表明了目前面向 6G 的星地融合移动通信研究

的主要方向，也可从中感受到这些专家学者对相关问题的

独到见解，希望能够为读者提供参考与借鉴。

[专题策划人]

陈山枝，中国信息通信科技集团有限公司副总

经理、总工程师、科技委主任，无线移动通信全

国重点实验室主任。拥有 20 多年从事信息通信

技术与产品的研究与开发、大型科研项目管理工

作经验，目前主要研究领域为 B5G/6G 移动通信

系统、卫星互联网、智能车联网等理论与关键技

术，以及国内外标准制定及产业化。主持国家自然科学基金项目、

国家科技重大专项等科研项目 10 余项。在信息通信领域权威期刊

发表 SCI 论文 60 余篇，第一作者 ESI 高被引论文 7 篇。已授权发

明专利 84 件，部分被 ETSI 披露为 4G 和 5G 国际标准必要专利。出

版学术专著 6 本（其中 Springer 出版英文专著 2 本）。担任国际/国

内多个权威通信期刊的编委。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.3

面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技术

宋雅琴 1

，徐晖 1

，刘险峰 1

，王亚鹏 1

，程志密 1

，王胡成 1

，陈山枝 2

（1. 中信科移动通信技术股份有限公司，北京 100083；

2. 中国信息通信科技集团有限公司无线移动通信全国重点实验室，北京 100083）

摘 要：通过对 6G 星地融合网络的场景特征分析，以及对星载边缘计算的研究现状和实现云边协同的需求分析，提出一种结

合算力网络技术实现星地融合网络的云边协同网络架构，通过引入一个新的网络功能——云边协同功能实现星地融合网络的全

局资源感知和协同调度。基于所提的网络架构，提出星地融合的统一资源管理机制，包括可以管理卫星和地面的算力资源与网

络资源的全局资源感知技术，以及可以协同星地融合网络中云计算和边缘计算能力的调度策略生成技术。最后，通过自研的移

动通信网络平台验证所提云边协同网络架构的合理性以及资源感知技术和策略调度技术的正确性。

关键词：星地融合网络；网络架构；移动边缘计算；云边协同机制；算力网络；资源管理

中图分类号：TN92

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2023025

Cloud-Edge Collaboration Architecture and Key Technologies

for 6G Integrated Satellite and Terrestrial Network

SONG Yaqin1

, XU Hui1

, LIU Xianfeng1

, WANG Yapeng1

, CHENG Zhimi1

, WANG Hucheng1

, CHEN Shanzhi2

1. CICT Mobile Communication Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China

2. State Key Laboratory of Wireless Mobile Communication, China Information and

Communication Technologies Group Co., Ltd., Beijing 100083, China

Abstract: By analyzed the scenario characteristics of 6G integrated satellite and terrestrial network, the current state of research on edge

computing capabilities on satellite, and the demand of cloud-edge collaboration, a network architecture that combines computing

power network technology to achieve cloud-edge collaboration for integrated satellite and terrestrial networks was proposed, and global

resource awareness and collaborative policy scheduling for integrated satellite and terrestrial networks by introducing a network function cloud-edge collaboration function was achieved . Based on this architecture, a unified resource management mechanism of the integrated satellite and terrestrial network was proposed, included a global resource awareness technology that could managed the computing and network resources of the integrated satellite and terrestrial network, and a policy generation technology that could collaborate

with the computational capabilities of the cloud-edge and the integrated satellite and terrestrial network. Finally, the rationality of the

cloud-edge collaborative architecture proposed in this article, as well as the correctness of resource awareness technology and policy

scheduling technology, were verified through a self-developed mobile communication network platform.

Keywords: integrated satellite and terrestrial network, network architecture, mobile edge computing, cloud-edge collaboration mechanism, computing power network, resource management

0 引言

5G 通信已经从人−人连接模式向物-物、人-物连接模

式扩展，新的业务场景不断涌现，抗灾救援、科学考察、

远洋货轮的宽带接入等场景对全球广域覆盖通信、随时随

地的移动通信接入服务提出了明确的需求。然而，偏远地

区、无人区、远洋海域等面临部署地面通信网络代价大或

无法部署的困难，从而无法满足通信需求[1-5]。星地融合网

收稿日期：2023−05−11；修回日期：2023−09−01

基金项目：国家重点研发计划资助项目（No. 2020YFB1807901）

Foundation Item: National Key Research and Development Program of China (No. 2020YFB1807901)

·4· 天地一体化信息网络 第 4 卷

络以地面网络为基础、以卫星网络为延伸，覆盖太空、空

中、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基等各类

用户的活动提供信息保障。通过空天地海一体实现天地互

联和广域全覆盖，已经成为 6G 网络的一个研究热点[6-11]。

随着新场景和新业务的不断出现，6G 星地融合网络需要

边缘计算功能“上星”以支持新业务对数据处理响应的高

需求[6]。

1 星载边缘计算的研究进展

星载边缘计算指的是在星地融合网络中，将边缘计算

功能部署于星上，通过在轨计算服务降低时延、提升卫星

网络的资源利用率，并通过云边协同机制实现星地之间计

算功能的柔性分割。

1.1 5G 边缘计算技术的概述

边缘计算技术[12]具备可以降低时延、提高响应能力以

及减少用户和中心网络之间的数据流量等优势，自提出后

便被广泛研究和使用。5G 时代将边缘计算的概念引入移

动通信网络并提出移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）技术[13-14]，MEC 通过将计算存储能力与业务

服务能力向网络边缘迁移，尽可能避免将数据回传到云

端，减少数据往返云端的等待时间和网络成本。

3GPP 在 TS 23.548[13]中提出了基于 MEC 技术支持 5G

系统访问边缘应用服务器（Edge Application Server，EAS）

的架构。为了支持将数据选择性地通过不同路径路由到数

据网络（Data Network，DN），会话管理功能（Session

Management Function，SMF）可以控制报文数据单元

（Packet Data Unit，PDU）会话的数据路径，以保证 PDU

会话能够同时对应多个 N6 接口；可以使用上行数据分类

器（Uplink Classifier，UL CL）功能[15]或 IPv6 多归属功能

分支点（Branching Point，BP）[15]支持通过 PDU 会话的不

同锚点提供到同一个 DN 的不同接入路径，从而实现本地

分流。3GPP 提出的方案支持 5G 系统在边缘计算节点的选

择过程中主要考虑用户与 EAS 之间的距离信息，缺乏对

用户与 EAS 之间的网络状态和算力状态的综合考量。

1.2 6G 星载边缘计算的研究现状和新挑战

面向6G，可以在中心云化基础设施上构建6G核心网，

在边缘云化基础设施上构建 6G 用户面和 6G MEC 节点，

通过 6G MEC 节点提供的 MEC 应用平台实现对第三方应

用的部署和管理能力，从而通过 MEC 应用为用户提供服

务。考虑到空间环境恶劣、星上硬件资源有限、天基设备

维修困难等因素，以及容器技术[16]具有运行快捷、管理便

利、标准化、网元微服务化改造等优势，面向 6G 的星地

融合网络系统将以基于容器的虚拟化技术为基础构建 6G

核心网和边缘计算平台。

3GPP在TR 23.700[17]中讨论了非地面网络（Non-Terrestrial

Network, NTN）[18]的卫星边缘计算场景，其通过将用户面

功能（User Plane Function，UPF）、gNB、6G MEC 节点

部署于卫星以支持边缘计算功能上星。在 6G 星载边缘计

算的场景下，需要实现位于云、边、端、网的网络资源和

算力资源的全面感知和协同，以提高用户体验质量。为此，

一方面，业界提出星地融合网络的边缘计算架构[8]，架构

中包括卫星网络、地面网络和用户设备 3 部分，形成对应

云计算、边缘计算和本地计算的云−边−端 3 层计算处理架

构，在用户设备无法处理计算任务时将任务卸载至星地融

合网络的边缘或云端；另一方面，针对需要在边缘计算、

云计算以及网络之间实现资源利用最优化的问题，业界提

出了实现云、网、边深度融合的算力网络[19]，并指出算力

网络是一种根据业务需求在云、网、边之间按需分配和灵

活调度计算资源、存储资源以及网络资源的新型信息基础

设施。在算力网络中，算力网络管理中心根据网络状态和

算力状态，为用户的业务需求匹配最佳的计算资源，并计

算从用户到目标算力节点间的最优路径，确定业务的转发

路径。

然而，现有工作对算力网络资源的感知和调度等方面

仍然停留在较粗粒度的维度上，而且算力网络和移动通信

网络的结合不够紧密，由于卫星网络与地面网络的巨大差

异性以及卫星拓扑的高动态性导致网络状态频繁变化，使

得现有工作在面向星地融合网络实现位于云边的网络资

源和算力资源的协同调度方面存在新的挑战[12]。

2 面向 6G 星地融合的云边协同网络架构

随着新业务的不断涌现，卫星网络仅作为远程地面数

据中心的中继，无法继续提供高效的数据处理响应[6,14]。

例如，在物联网智联场景中，当位于偏远地区的传感器和

摄像头等终端设备用于野外的地质或森林环境监测、珍稀

动物无人机监控等情况下，海量异构的感知或监控数据如

果直接通过卫星网络回传到地面中心网络，会对星地馈电

链路造成网络带宽压力；另外，当监控数据显示监测对象

出现异常时，需要快速传输该时延敏感数据并做出相应的

应急处理，对时延提出较高要求。因此，面向 6G 的星地

融合网络需要将边缘计算功能上星，并通过云边协同实现

星地之间计算功能的柔性分割以及资源的优化配置。针对

多样化的业务需求，把全局性、复杂度高、时延要求不高

的业务放在地面中心网络平台上处理；把实时性要求高、

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技术 ·5·

计算复杂度不高的业务放在卫星网络平台上处理。通过在

轨计算服务，降低时延并实现高效的业务分发。具体的，

面向 6G 星地融合的云边协同机制，除了考虑用户和边缘

应用服务器之间的距离，还要考虑由于卫星运动带来的包

括网络拓扑在内的网络状态的复杂多变、星上有限算力资

源的资源使用的动态变化，以及不同业务对资源类型的个

性化和动态需求等，从而实现更加精准、灵活、高效的云

边协同。面向 6G 星地融合的云边协同网络架构如图 1 所

示，主要包括用户设备（User Equipment, UE）、卫星网

络和地面网络 3 部分。用户设备如手机、各类传感器、摄

像头等，具备数据采集功能，具有任务产生能力和很弱的

计算能力，负责环境的信息感知和本地处理，当任务超出

自身处理能力时，通过发起算力请求将任务卸载至星地融

合网络的边缘或云。卫星网络包括高效互联的多颗卫星、

星上移动通信网络和星上本地数据网络。其中，星上移动

通信网络包括星上基站功能（S-gNB）和星上核心网部分

功能，即星上用户面功能（Satellite-UPF，S-UPF）；星上

本地数据网络是指部署于星上的数据网络，为接入该卫星

的 UE 提供数据服务，实现用户任务卸载至边缘。地面网

络包括完整的地面移动通信网络、地面本地数据网络、地

面中心数据网络。

算力网络技术[20]可以解决在边缘计算、云计算以及网

络之间实现资源利用最优化的问题，可以用于解决星地融

合网络中的云边协同问题，尤其是面对卫星网络复杂多变

的特殊情况。为了结合移动通信网络的会话路由和 QoS

控制等网络策略信息实现 6G 星地融合网络的云边协同，

在核心网引入一个全新的网络功能，即云边协同功能

（Cloud-Edge Collaboration Function，CECF）用于管理星

地融合网络的全局资源，实现云计算资源与移动通信网络

资源的全面感知和协同调度。

为了降低星地融合网络的资源管控和调度开销，采用

卫星和地面的分级管控机制，分别在地面和卫星部署地面

CECF 和星上 CECF（Satellite-CECF，S-CECF）。CECF

维护包括地面和卫星的星地融合网络的所有资源信息并

生成云边协同的调度策略，S-CECF 用于维护星上资源并

同步给地面 CECF；同时，S-CECF 接收 CECF 对星上资

源的调度策略并控制对应卫星的资源。针对不同的网络

域，还可以进一步划分和设置对应的管控域。

边缘算力节点利用相对有限的算力资源和网络资源

负责局部的算力任务，中心算力节点具有丰富的算力资

源和网络资源，是终端和边缘的有力支撑，可以完成边

缘无法完成的复杂算力任务。星地融合网络可以通过星

上部署的边缘应用服务器（EAS）和地面部署的中心应

用服务器（Central-Application Server，CAS）之间的云

边协同实现全局资源感知和协同调度。为了实现云边协

同，可以在非对地静止轨道卫星（Non-Geostationary

Orbit，NGSO）上部署 S-gNB、S-UPF 和本地数据网络，

在地球同步轨道（Geostationary Orbit，GEO）卫星上部

图 1 面向 6G 星地融合的云边协同网络架构

·6· 天地一体化信息网络 第 4 卷

署 S-CECF 实现对卫星网络的管控，包括对资源和状态

的感知以及对策略的控制。

3 面向 6G 星地融合的云边协同关键技术

3.1 星地融合网络的云边资源感知技术

在图 1 所示的面向 6G 星地融合的云边协同网络架构

中，CECF 为了实现云边协同的策略生成和资源调度，需

要感知包括算力资源和网络资源在内的云边的全局资源，

实现对算力资源和网络资源的数据采集、汇聚、分析和处

理。如图 2 所示，为了简化资源感知的流程设计并减少资

源感知数据的传输量，S-CECF 和地面 CECF 分别负责星

上资源和地面资源的感知。

图 2 星地融合网络的云边资源感知和管理

具体的，S-CECF 负责 S-gNB、星上承载网、S-UPF

等星上核心网、星上边缘算力以及用户到边缘算力节点之

间的转发路径等相关的网络资源和算力资源的感知。

CECF 负责地面基站、地面核心网（Core Network，CN）、

地面承载网、地面中心算力以及用户到中心算力节点之间

的转发路径相关的网络资源和算力资源的感知。同时，地

面 CECF 还负责星地融合网络的全局资源管理，S-CECF

将感知的星上算力网络资源经过一定的本地数据处理（如

特征抽取和信息融合）和数据汇聚后再通过卫星互联网向

地面 CECF 发送。地面 CECF 基于维护的全局的网络资源

信息和算力资源信息执行用户请求对应的算力服务编排

的算力调度策略和网络策略的生成。

下面分别介绍网络资源感知技术和算力资源感知技术。

（1）网络资源感知技术

网络资源感知是对网络性能指标（时延、抖动、丢包

率等）、网络设备状态（拓扑、配置等）、网络流量信息

（带宽、优先级、速率等）等关键指标的变化情况的感知。

在移动通信网络系统中，网络资源信息主要包括核心网的

网络功能拓扑、网络功能相关数据、UPF 网络状态数据、

UE 位置信息等，接入网的小区标识、小区负载、空中接

口时延、核心网和基站的下行分组时延等，承载网的路由

器标识、路由器连接关系和链路状态等。

网络资源感知技术是通过网络控制面实时或周期性

地获取网络信息，包括通过集中式控制器获取、通过网络

流量监控获取、基于订阅/通知机制获取、通过数据存储库

查询获取等方式。

 通过集中式控制器获取：例如软件定义网络的集

中式控制器可以通过南向接口获得网络连接信息，实现对

网络拓扑的感知。

 通过网络流量监控获取：网络流量监控可以对端

口流量监控，实现对流量信息的周期性感知。

 基于订阅/通知机制获取：例如通过网络数据分析

功能（Network Data Analysis Function，NWDAF）[21]的消

息请求/事件订阅/事件通知等机制与核心网的网络功能交

互完成对核心网网络功能相关数据的采集，或通过 CECF

直接与 NF 或操作、管理和维护（Operations, Administration

and Maintenance，OAM）等交互完成对相关数据的采集。

 通过数据存储库查询获取：可以通过从数据存储

库中检索网络数据信息实现对网络资源的感知。

通过多种方式组合实时或周期性感知的网络资源信

息汇聚到 CECF 进行统一维护和管理，从而为用户发起的

算力请求执行算力调度和流量路由提供数据支撑。

（2）算力资源感知技术

算力资源感知是对算力节点的算力资源类型、算力资

源状态、算力服务类型、算力服务状态等算力信息的感知。

算力资源的感知方法是算力节点通过主动发起算力

注册过程实现 CECF 对云边算力节点基本信息的感知，

CECF 负责对算力节点进行认证并为算力节点分配和维护

全局唯一的算力标识，维护全局算力资源池，管理全局算

力节点资源。同时，对于已注册的算力节点，CECF 通过

监控算力节点的算力资源状况实现对算力信息的更新感

知，CECF 实时或周期性感知算力节点的算力信息。

其中，周期性感知算力节点的算力信息时，针对不同

的算力节点，CECF 可灵活设置算力感知周期，对于时变

较快的算力节点，设置较小的算力感知周期，以保证该算

力资源状态的实时更新；对于算力资源变化较慢或变化较

小的算力节点，设置较大的算力感知周期，以减小数据回

传的网络开销。

3.2 星地融合网络的云边协同策略生成技术

面向 6G 星地融合的云边协同主要包括对卫星网络和

地面网络的算力编排调度和 PDU 会话相关网络资源的控

制，要求 CECF 可以基于维护的包括算力资源和网络资源

的全局资源信息，根据网络状态和算力状态，通过算法和

调度模型为用户的业务需求匹配最佳的算力资源和网络

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技术 ·7·

资源，并计算从算力需求方到目标算力节点间的最优算力

转发路径，以及实现对用户业务流的 PDU 会话控制策略

管理。其中，PDU 会话控制策略管理包括流量路由管理、

差异化 QoS 管理和移动性控制策略管理等。

（1）流量路由和 QoS 管理的策略生成技术

如图 3 所示，当 UE 访问应用并触发初始算力请求时，

云边协同策略生成的流程如下。

步骤 1：应用触发 UE 将算力请求发送到位于卫星的

S-CECF，请求中携带算力网络需求，包括算力需求（算

力资源类型、算力资源大小、算力服务类型等）和网络需

求（时延、带宽等）。

步骤 2：S-CECF 基于 UE 信息将该算力请求转发给一

个地面 CECF。

步骤 3：CECF 基于请求中携带的需求信息以及管理

的星地融合网络的全局算力资源信息和网络资源信息，采

用资源调度算法生成算力调度策略完成云边的协同调度，

算力调度策略包括算力服务调度策略（使用哪一个算力节

点的哪一个算力服务应用）、算力路由策略（算力请求方

到算力服务节点的最优转发路径）以及会话控制策略

（SMF 和 UPF 选择结果、用户面转发路径对应的流量路由

策略、流级别的 QoS 控制策略等）。

其中，流量路由策略可以包括 UE 标识、应用标识、

应用描述、目标算力节点地址信息、用户面路径等；流级

别的 QoS 控制策略可以包括 UE 标识、应用标识、应用描

述、目标算力节点地址信息、最大上行比特率、最大下行

比特率、保证上行比特率、保证下行比特率、分配和保留

优先级、调度优先级、平均窗口等。

步骤 4：CECF 将策略相关信息发送给 PCF，PCF 配

置策略信息并完成响应。

步骤 5：CECF 将算力编排结果响应给 S-CECF。

步骤 6：S-CECF 将接收到的算力编排结果返回 UE；

同时，CECF 根据算力路由策略对应的最优转发路径，结

合用户面的隧道信息，推导卫星承载网的路由配置，完成

路由配置。

步骤 7：UE 基于接收到的算力编排结果，发起 PDU

会话建立请求，请求中包括算力服务应用所在数据网络名

称（Data Network Name，DNN）。

AMF 接收到 UE 发起的会话建立请求后，基于步骤 4

中 PCF 接收到的策略信息执行 SMF 的选择。PCF 根据流

量路由策略和流级别的 QoS 控制策略生成相应的政策和

收费控制（Policy and Charging Control，PCC）规则发送

给 SMF。SMF 基于 PCC 规则执行 UPF 的选择和后续的用

户面路径建立流程，从而完成整个会话建立流程。

在本场景中，假设星上算力资源可以满足该应用的算力

需求，因此选择星上边缘算力节点为用户提供服务。当初始

的会话建立流程完成后，作为算力请求方的 UE 与作为算力

服务方的 S-EAS 通过图 3 所示的红色线完成数据的流转。

（2）移动性管理技术

UE 在访问应用期间，如果 UE 位置发生变化，或者 UE

接入的卫星发生变化，可能会导致 UE 到上述目标应用服务

器对应的资源不再满足应用的算力需求和/或网络需求，

CECF 可以根据业务需求生成移动性控制策略发给 PCF，向

核心网订阅例如UE位置变化、UE接入卫星标识变化等事件。

当 UE 位置或 UE 接入卫星标识发生变化时，核心网

图 3 星地融合网络的云边协同策略生成流程

·8· 天地一体化信息网络 第 4 卷

及时将事件通知给 CECF，并由 CECF 调整算力调度策略

（包括算力服务调度策略、算力路由策略、会话控制策略）；

CECF 基于更新的算力调度策略完成路由重新配置并通过

PCF 修改 PDU 会话和/或触发 UE 移动性管理过程（如小

区切换），从而实现对 UE 的移动性管理。针对不同的场

景将采用不同的移动性管理技术，主要包括以下几种。

针对当前算力节点不适用的场景（例如算力节点负载

过大），由于 UE 位置变化或 CECF 感知到当前算力节点

不适用，因而需要重选算力节点，CECF 确定移动性控制

策略，触发用户面路径的重配置，以及由核心网或 UE

发起算力节点的重定位或重新发现。算力节点的重定位

可以通过插入中间 SMF（I-SMF）或上行分类器（Uplink

Classifier，UL CL）建立 UE 到新算力节点的用户面路径。

针对当前小区不适用的场景（例如卫星移动到小区范

围外），可以基于信号测量报告或 CECF 感知到当前小区

不适用，需要重选小区和算力节点，CECF 确定移动性控

制策略后发送至 AMF，AMF 发送至 SMF 和源 NG-RAN，

源 NG-RAN 选择目标 NG-RAN，触发小区切换过程。也

可以基于信号测量报告或 CECF 感知到当前小区不适用，

需要重选小区和算力节点，CECF 确定移动性控制策略并

发送至 AMF，AMF 通过 UE policy 将策略发送至 UE，UE

选择目标 NG-RAN，建立到目标算力节点的新 PDU 会话。

4 实验验证

本文使用在实验室自研搭建的移动通信网络验证平

台完成实验验证工作。该验证平台使用基于开源 OSM

（Open Street Map）的管理和编排[22]实现系统资源的高效

管理和编排；基于网络功能虚拟化（Network Function

Virtualization，NFV）[23]实现控制面网络功能软件与硬件

实体的资源分离，支持网络功能的动态灵活部署；基于软

件定义网络（Soft Defined Network，SDN）[24]技术实现用

户面的控制与转发分离。具体的，本文使用基于

OpenStack[25,26]的开源云计算管理平台在 x86 通用服务器

上搭建虚拟化平台，将传统运行在专用硬件上的核心网的

网络功能进行虚拟化，生成虚拟网络功能（Virtualized

Network Function，VNF），并将 VNF 部署在虚机（Virtual

Machine，VM）上。同时，搭建管理平台读取系统信息并在

浏览器前端展示，或者通过前端修改网络参数和属性从而改

变网络功能，实现验证平台的可视化便捷管理。

实验组网拓扑如图 4 所示，假设将 1 台通用服务器搭

载在卫星上并在该服务器上部署 S-RAN、S-UPFC、

S-CECF 和 S-EAS，以及在卫星上部署具备 UL CL 功能的

S-UPF和具备用户面锚点功能即PSA的S-UPF；在地面上，

使用 3 台通用服务器分别部署地面核心网和管理平台以及

2 台应用服务器。

S-CECF 和 CECF 分别用于感知星上和地面的算网资

源，感知结果见表 1、表 2。本实验中，算力资源信息为

CPU、内存和硬盘，网络资源为用户面路径时延。可以看

到，3 个算力节点 Node01、Node03、Node04 的可用内存

容量分别为 26 GB、2 GB、10 GB，从 UE 到 3 个算力节

图 4 实验组网拓扑

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技术 ·9·

点的用户面路径 OF5-OF14、OF5-OF10-OF15、OF5-OF2

时延分别为 49 ms、56 ms、15 ms。

UE 发起一个业务请求，请求中包括的算力需求为

CPU：2 核，内存：4G；网络需求为空。CECF 根据维护的

算力网络资源，判断 Node03 可用内存容量 2 GB 不满足业

务需求，返回符合用户算力需求的算力节点为 Node01 和

Node04。接下来，结合网络的时延信息，由于业务需求中

包含的网络需求信息为空，则 CECF 选择时延较小的用户

面路径，即 OF5-OF2 对应的 15 ms。因此，网络最终为 UE

返回的编排响应包括为用户提供服务的算力节点 IP，如图

5 所示，返回的算力节点 IP 为 Node04 对应的 172.10.3.129。

因此，通过该实验过程成功验证了本文提出的架构的合理

性以及星地融合网络的云边协同策略生成流程的正确性。

图 5 UE 接收到业务请求响应

5 结束语

随着新业务的不断涌现，星地融合以及边缘计算功能

上星已成为发展趋势。星载边缘计算场景下，如何通过云

边协同实现星地之间计算功能的柔性分割，合理利用有限

的在轨计算服务，提高用户体验，成为一个关键问题。目

前面向 6G 星地融合网络实现云边协同的网络架构和关键

技术的研究仍然处于早期阶段。面向未来，还需要深入研

究并设计基于人工智能的资源调度算法，进而在本文所述

的架构、方法、实验平台的基础之上完成算法验证和性能

测试。

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表 1 算力资源信息

设备

标识符

资源

类型

资源

状态

CPU

总容量

CPU

空闲率

CPU

使用率

内存

总容量

可用内

存容量

内存已

分配容量

硬盘

总容量

硬盘

可用容量

硬盘已

分配容量

CPU

型号

CPU

核

CPU 频

率/MHz

CPU

线程

应用

类型

Node04 VM 正常 100% 100% 0 15 GB 10 GB 4 GB 39 GB 33 GB 6 GB Xeon 8 2 095 8 IoT

Node03 VM 正常 100% 100% 0 15 GB 2 GB 28 GB 39 GB 34 GB 5 GB Xeon 16 3 092 16 IoT

Node01 VM 正常 100% 100% 0 15 GB 26 GB 4 GB 0 GB 0 GB 0 GB Xeon 16 3 092 16 IoT

表 2 网络资源信息

ID 开始节点 结束节点 路径 时延

209 OF5 OF2 OF5-OF2 15 ms

210 OF5 OF14 OF5-OF14 49 ms

211 OF5 OF15 OF5-OF10-OF15 56 ms

·10· 天地一体化信息网络 第 4 卷

宋雅琴（1993− ），女，博士，中信科移动通

信技术股份有限公司中级工程师，主要研究方

向为移动通信核心网，主要从事 6G、网络架

构和协议、数据服务、星地融合等的技术研究

工作。

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[作者简介]

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技术 ·11·

徐 晖（1969− ），女，博士，中信科移动通

信技术股份有限公司教授级高级工程师，主要

研究方向为移动通信核心网、星地融合网络技

术和移动通信安全等，主要从事 6G 及卫星通

信等的技术研究和标准化推进工作。

刘险峰（1982− ），女，硕士，中信科移动通

信技术股份有限公司中级工程师，主要研究方

向为移动通信核心网、星地融合网络技术、网

络切片技术等，主要从事 6G、网络切片、卫

星通信等的技术研究工作。

王亚鹏（1985− ），女，硕士，中信科移动通

信技术股份有限公司中级工程师，主要研究方

向为算力网络、移动通信核心网等，主要从事

6G 及算力网络等的技术研究工作。

程志密（1980− ），女，博士，中信科移动通

信技术股份有限公司高级工程师，主要研究方

向为移动通信核心网、星地融合网络技术、确

定性网络技术等，主要从事 6G、确定性网络、

卫星通信等的技术研究和政府项目研究工作。

王胡成（1982− ），男，博士，中信科移动通

信技术股份有限公司高级工程师，主要研究

方向为移动通信网络架构、组网以及协议等，

主要从事 4G/5G/6G网络技术的研究与标准化

工作。

陈山枝（1968− ），中国信息通信科技集团有

限公司无线移动通信全国重点实验室主任，负

责 4G 和 5G 移动通信、C-V2X 车联网技术与

标准研究及产业化工作，主要研究方向为

B5G 和 6G、车联网、卫星移动通信等。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.3

面向星地协同的接入网架构与关键技术

邓伟，赵琳，翁玮文，杜琴，马克，程锦霞，张龙

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

摘 要：随着泛在宽带通信需求和星地通信技术的演进，卫星与地面蜂窝通信产业生态系统正逐步走向融合。为满足星地协同

应用场景及技术需求，分析星地协同的接入网架构面临的主要技术挑战，基于连接动态、资源统一管控、地面控制的总体原则，

从空间段、地面段及星地协同段阐述面向星地协同的接入网架构。从需求出发，基于所提网络架构提出对应的覆盖协同、业务

协同、节能协同与测控协同的关键技术，通过设计智能动态协作网元、动态 Xn 接口、分布式测控单元等协同网元，星地两网

深度交互有用信息，实现动态高效的星地协同机制，推动卫星网络与地面网络进一步互补，提高系统在资源利用率、能源消耗

以及网络建设成本等方面的整体性能。

关键词：卫星互联网；星地协同；接入网架构

中图分类号：TN92

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2023026

Architecture and Key Technologies of Access

Network for Satellite-Terrestrial Cooperation

DENG Wei, ZHAO Lin, WENG Weiwen, DU Qin, MA Ke, CHENG Jinxia, ZHANG Long

China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Abstract: With the development of ubiquitous and broadband communication requirements and the satellite-ground integration communication technology, the satellite and ground cellular communication industry ecosystem is gradually moving towards integration. In

order to meet the application scenarios and technical requirements of satellite-terrestrial cooperation, the main technical challenges of

the access network architecture were analyzed. Based on the overall principles of connection dynamics, unified resource management

and controlled by ground network, the architecture of access network for satellite-terrestrial cooperation was elaborated from space

segment, ground segment and cooperative segment. Key technologies of coverage cooperation, service cooperation, energy saving cooperation and capability cooperation were proposed based on the elaborated network architecture. By design cooperative network elements, such as intelligent dynamic cooperative unit, dynamic Xn interface, distributed TT&C units, the useful information between satellite and ground networks interacted deeply, a dynamic and efficient satellite-terrestrial cooperation mechanism could be realized. It

could promote further complementarity between satellite and ground networks and improved overall system performance in resource

utilization rate, energy consumption, and network construction cost.

Key words: satellite internet, satellite-terrestrial cooperation, access network architecture

0 引言

卫星网络与地面网络在覆盖范围和系统容量方面

有极强的互补性，长期以来，卫星和地面移动通信作

为两个产业链各自独立发展。随着泛在宽带通信需求

和星地通信技术的演进，卫星与地面移动通信产业生

态系统正逐步走向融合[1]。卫星互联网成为 6G 网络的

重要特征[2]，将基于一体化终端向偏远地区、海洋、航

空等泛在立体空间提供全场景融合新服务。面向未来

的目标愿景，本文结合技术标准及产业发展情况，研

究星地接入网发展路径，并设计构建高效协同的星地

接入网架构。

收稿日期：2023−03−30；修回日期：2023−07−10

第 3 期 邓伟等：面向星地协同的接入网架构与关键技术 ·13·

1 星地接入网发展现状及路径

1.1 技术及标准发展现状

卫星网络具有覆盖范围广、容灾能力强等优点，作为

地面网络的补充和扩展，可以很好地与地面网络有机融

合，形成卫星互联网[3]，在全球任何地点、任何时间为更

广泛的终端用户提供信息服务。

近年来，随着商业航天的兴起，国内外纷纷开展低轨

卫星星座的建设工作，低轨化、宽带化、手机直联成为卫

星通信的重要发展趋势，全球星地技术研究及应用进入快

速发展阶段。2017 年，3GPP 在无线接入网工作组中设立

了非地面网络（Non-Terrestrial Network，NTN）相关的研

究项目，并明确将卫星接入列为 5G 的接入技术之一。2019

年，3GPP 完成 TR38.821 研究报告，对新空中接口（New

Radio，NR）支持 NTN 需要具备的必要功能进行了研究，

提出了基于透明转发模式和星上再生模式的 NTN 应用场

景架构，如图 1 所示。2022 年，3GPP NR NTN R17 面向

透明转发模式完成了第一版本基于 5G 的卫星通信技术标

准制定，R18 基于 R17，围绕覆盖、高频段以及移动性管

理等技术进行针对性的增强。

3GPP 在卫星通信领域的标准化工作主要以地面 5G

通信标准为基础，结合卫星通信的技术特点做出适应性改

进[4]，但暂未涉及星地深度融合的架构设计工作。面向未

来网络的演进需求，学术界对星地网络架构开展了积极探

索。参考文献[5-8]均考虑基于网络功能虚拟化（Network

Functions Virtualization，NFV）技术实现星地间网络功能

的柔性分割，根据卫星载荷能力与服务场景，实现网络功

能的灵活按需部署。同时，参考文献[5,8-9]研究基于软件定

义网络（Software Defined Network，SDN）技术将网络抽

象为用户平面、控制平面、管理平面。参考文献[10-12]提出

构建传输、计算、存储能力于一体的星上节点，通过星地

移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）实现计算任

务的分布式协作处理。面向星地协同的架构，参考文献[9,13]

主要考虑基于统一网络管控功能，获取全局网络状态信

息，实现星地网络的协同管控。综上所述，现有技术多讨

论基于 NFV 和 SDN 的弹性可重构网络架构[14]，考虑各个

网络功能的灵活按需部署，星地协同相关技术则主要聚焦

在统一网络管理方面，以星地高效协同为目标的接入网架

构及协同机制讨论较少。

1.2 接入网发展路径

接入网由以地面蜂窝网络为基础的地基接入网和以

低轨卫星星座为基础的天基接入网构成，星地全方位融合

是卫星互联网实现全球无缝覆盖的关键技术目标，但也面

临诸多难题与挑战，需要结合技术、标准、产业和应用场

景设计接入网的演进路径。

受限于卫星平台对功耗、重量的限制，平台通信有效

载荷功能相对简单，卫星采用透明转发模式有利于规避初

期面临的技术不成熟、卫星研制成本高等问题。随着技术

的不断发展，卫星平台能力逐渐增强，研制成本降低，激

光星间链路等技术发展趋于成熟，卫星具备同时支持透明

转发模式与星上再生模式的能力，低轨卫星星座组网成本

图 1 基于透明转发模式和星上再生模式的 NTN 应用场景架构

·14· 天地一体化信息网络 第 4 卷

逐渐下降，卫星网络进入成熟商用期。

本文主要根据卫星平台处理能力的增强演进，将接入

网发展路径中可能存在的组网方式分为 3 类。

方式一：基于透明转发模式的网络架构。

方式二：透明转发与星上再生混合组网。

方式三：基于星上再生模式的网络架构。

2 星地协同应用场景及技术需求

卫星互联网将充分利用星地资源，实现全球无缝覆

盖。根据多样化的业务需求，星地需要实时动态协同来满

足终端的随遇接入和业务服务质量要求。研究星地协同应

用场景及技术需求，对于接入网架构至关重要。

2.1 覆盖协同

卫星网络不受地形限制，且具备较低成本的广覆盖能

力，但在单星容量和星上处理能力方面有较大的局限性。

因此，星地协同覆盖主要考虑 3 个方面应用场景：

（1）卫星网络为航空、海洋、森林、沙漠、极地等地

面网络难以覆盖的区域提供覆盖服务；

（2）卫星网络为业务分布分散且容量要求较低的区域

提供覆盖服务，节省地面网络铺设所需的巨大成本，提高

经济性；

（3）洪水、地震等自然灾害的发生导致地面网络服务

中断时，卫星网络能够代替中断的地面网络提供容灾覆盖。

2.2 业务协同

卫星网络与地面网络结合各自优势进行有机融合，可

以为大众及行业用户提供更加优质以及差异化的通信服

务。一方面，由于卫星网络与地面网络适宜承载的用户数

量、业务类型不同，针对不同业务类型的差异，通过星地

协同管理可灵活选择最优的承载网络或实现两个网络间

的负载均衡及优势互补[15]。例如，卫星网络具有较大覆盖

范围，可以高效满足大范围内用户的广播或者多播需求。

另一方面，由于星地拓扑高动态变化，用户在不同卫星间

频繁切换，极易导致业务中断，并为网络带来大量信令开

销。可建立星地协同的业务管理机制，通过感知用户业务

需求，对用户进行统一资源管理，以达到优化业务体验，

保证业务连续性的目的。

2.3 节能协同

5G 网络的众多新技术特性使得功耗急剧增加。由于

移动通信业务存在明显的“潮汐效应”，为节省基站能耗，

目前主流的基站节能解决方案是利用人工智能技术进行

负载预测并实时控制基站进入节能模式。然而，地面蜂窝

用户的通信需求是动态变化的，具有突发性，用户在 5G

基站关断的时间段内可能会存在通信需求，贸然降低 5G

基站的功耗会使得用户的业务受到较大影响。

利用星地双重覆盖特性，卫星互联网可以根据不同

地区、不同时间的业务分布情况，在轻负载区动态调整

地面网络的通信资源，采用卫星网络提供基础覆盖。由

于卫星网络由太阳能提供电力，太阳能是绿色能源，因

此星地协同节能在避免能源浪费的同时，还可保证用户

基本通信需求。

2.4 能力协同

卫星网络与地面网络作为两个独立的产业链发展至

今，为支撑自身系统的各项基本能力，两者存在一定的

冗余设计。星地能力协同可促进卫星互联网高度集成，

降低网络建设成本。本文主要关注星地网络通信与测控

能力的协同。

在传统的航天测控领域，一般采用“一站一星”模

式。随着商业航天的兴起，低轨卫星互联网将发展为由

成千上万颗卫星组成的大规模卫星星座。为保障测控需

求，缓解测控压力，需大量建设地面测控站，但会产生

高昂的建设成本[16-17]。考虑到卫星馈电链路与测控链路

都是通过电磁波的发射和接收来完成数据的传递，因此

可基于 NTN基站和地面大网基站的卫星馈电单元与测控

单元的能力协同，通过复用馈电链路基础设施，实现降

本增效。

3 面向星地协同的主要技术挑战

天地一体化接入网是一个包含星地网络的多层次异

构系统，传统基于地面或者卫星独立系统的接入网架构无

法满足实时泛在的星地协同需求，并面临星地灵活实时协

同、立体网络层间动态资源管理、与演进路径中不同组网

方式的兼容等多方面的挑战。

3.1 高动态拓扑结构下的灵活实时协同

天基网络以低轨卫星通信作为主要的接入方式，卫

星数量在几千到几万颗，以 600 km 轨道高度为例，卫星

以 7.5 km/s 的速度高速移动，平均地面可见时间只有

5~10 min。对于地面固定区域而言，提供通信服务的过

顶卫星快速频繁变化[18]。面对广域泛在的业务需求以及

星地协同需求，如何通过星地接入网间的配合，快速感

知终端位置，并选择合适的卫星节点、灵活实时地调整

卫星波束以满足突发的星地协同需求，将是接入网层面

面临的重要挑战。

3.2 立体网络异构层间的动态资源管理

传统异构网络之间的协同一般采用终端漫游，系统侧

第 3 期 邓伟等：面向星地协同的接入网架构与关键技术 ·15·

互联互通的方式实现，而卫星互联网具有星地异构、立体

延伸、拓扑复杂的特点[19]，需要在接入网层面设计支持星

地动态关系构建的接口进行实时信息交互，促进星地通信

的深度耦合，高效管理星地网络的时间、空间、频率、功

率及测控资源，实现多层网络的联合资源优化，并具备针

对多层网络的协调能力和管控能力，为用户提供最佳的业

务体验。

3.3 兼容不同组网方式的星地协同架构设计

按照卫星的工作模式不同划分为 3 种组网方式，不

同组网方式下卫星处理能力不同，星地之间的协同方式

也将不同。接入网需要兼容卫星工作于透明转发和星上

再生等两种模式，并具备高度灵活性，这进一步加剧了

天地一体化接入网架构和相关接口设计的复杂程度。

4 面向星地协同的接入网架构

为了有效利用地面网络拓扑稳定的特点，降低星地在

高动态环境下协同组网的难度和复杂度，进一步提升天地

一体化接入网的整体性能，促进端星两侧的轻量化、低成

本实现，本文基于连接动态、资源统一管控、地面控制的

总体原则，基于对统一融合空中接口、星地动态智连、高

效的资源管理和调度等关键技术的研究，提出了面向星地

协同的天地一体化接入网架构，如图 2 所示。该架构包含

空间段、地面段、星地协同段 3 部分。

4.1 空间段

空间段包含透明转发卫星通信子系统和星上再生

卫星通信子系统[20]。

透明转发卫星通信子系统中，NTN 基站位于地面，

波束控制器及波束控制命令接收器位于星上。透明转发

卫星的波束分为打底覆盖波束与业务协同波束。打底覆

盖波束的主要功能是为地面网络提供补充覆盖，一般情

况下为凝视波束，由地面 NTN 基站静态或者半静态配置

波束指向[21]。业务协同波束主要完成负载均衡、流量卸载

等业务协同功能，支持根据地面网络需求由地面 NTN 基

站控制进行缓慢跳变。

星上再生卫星通信子系统中，星载 NTN 基站、波束

控制器全部基于星上处理实现。同时，该子系统可兼容支

持透明转发模式和星上再生模式。工作于星上再生模式

时，卫星波束服务于整个星下覆盖区域，分为接入波束和

业务波束。接入波束负责终端同步、随机接入以及终端切

换到业务波束前的数据传输，一般采用多波束基于固定周

期的扫描机制工作。在接入波束完成同步接入后，业务波

束根据用户的业务需求及位置，在星载 NTN 基站调度模

块的控制下采用按需凝视、动态跳变的方式为用户提供体

验更好的数据传输服务。

星上再生模式下，卫星具备对数据进行处理和分发的

能力，由此星上再生卫星通信子系统可以引入星间链路。

图 2 面向星地协同的天地一体化接入网架构

·16· 天地一体化信息网络 第 4 卷

星间链路既可以在同轨道卫星间建立，也可以连接异轨道

卫星。基于星间链路，数据可以在星间更灵活地传输，

减少对地面信关站的依赖，不再局限于国内，不受海外

建站限制。

4.2 地面段

地面段分为星地协同覆盖区域和卫星独立覆盖区域。

4.2.1 星地协同覆盖区域

星地协同覆盖区域，是指地面网络能够大面积连

续覆盖，但也存在地面网络覆盖空洞、对星地协同有

需求的地理区域，如图 2 所示。地面网络覆盖空洞如

郊区、山区等，可以由地面控制卫星的打底覆盖波束

进行凝视覆盖保障基本覆盖，提供基础通信和应急通

信服务。对星地协同有需求的区域，指地面网络能够

覆盖，但有星地协同需求触发的地理区域，地面控制

卫星的业务协同波束协同完成相关业务。此外，星地

协同覆盖区域还包括星地交叠区域，其处于地面网络

的覆盖边缘，与卫星网络的覆盖形成交叠，是发生星

地切换的主要区域。

面向星地协同覆盖区域，地面段网元中存在部分 NTN

基站新增测控单元以支持测控能力，部分大网基站新增馈

电单元、测控单元以实现星地动态连接、馈电测控一体化。

地面信关站及地面 NTN 基站属于透明转发卫星通信子系

统，负责透明转发卫星馈电和基带信号的收发和处理。支

持星地动态连接的地面大网基站，一方面具有为地面蜂窝

用户提供通信服务的能力，另一方面具备通过动态星地连

接与星上处理卫星的星载NTN基站进行信息交互的能力。

支持馈电测控一体化的 NTN 基站及大网基站则额外具备

测控能力。基于以上网元，实现星地协同区域的按需接入、

资源协调以及卫星测控。

4.2.2 卫星独立覆盖区域

卫星独立覆盖区域，是指航空、海洋、森林、沙漠、

极地等地面网络难以覆盖的区域，只能通过卫星网络进行

覆盖。星载 NTN 基站为星下可见区域提供覆盖，数据由

星间链路回传落地。

4.3 星地协同段

4.3.1 星地智能动态协作网元

星地协同组网的目标是实现星地覆盖、资源、调度的

高效协同，基于智慧内生能力，最大化系统效益，降低网

络成本，同时实现无缝的星地切换能力，保障业务连续性

及用户服务体验。为应对本文第 3 节提出的面向星地协同

的接入网架构面临的技术挑战，引入“星地智能动态协作

网元”，构建星地智能动态协作的新型接入网架构，如

图 3 所示。

图 3 星地智能动态协作的新型接入网架构

星地智能动态协作网元作为动态智连的“大脑”，具

备以下功能，具体见表 1。

表 1 星地智能动态协作网元功能

功能分类 具体描述

组网协同 作为再生模式下星上网元的地面锚点，实现透明转发与再生

模式统一动态组网

资源协同

精准的星地邻区关系；

高效的星地频率复用；

灵活的波束管理

能力协同 动态协同测控

透明转发与再生模式的统一动态组网：针对低轨卫星

过顶时间短，再生模式下的星上网元随低轨卫星的高速运

动而频繁变动导致组网复杂的问题，星地智能动态协作网

元作为锚点可实现再生模式下的星上网元动态接入及合

理快速配置，实现再生模式与透明转发的统一组网，降低

星地协同复杂度，保障服务质量。

卫星网络与地面网络的资源智能高效调度：针对卫星

覆盖面积大，星地交叠区域涵盖大量地面基站，星地智能

动态协作网元通过协同链路汇聚星地协同覆盖区域下卫

星网络网元和大量地面蜂窝网元，实现卫星网络与地面网

络在星地交叠区域精准的邻区关系建立、高效的星地频率

复用、灵活的波束管理[22]等，从而达到覆盖快速切换、业

务负载均衡、智能干扰规避等目的。

面向分布式测控的动态高效调度：卫星规模巨大、拓

扑高度动态加剧了有限的测控资源与繁重的测控任务之

间的矛盾，使得测控压力更大、调度更复杂。星地智能动

第 3 期 邓伟等：面向星地协同的接入网架构与关键技术 ·17·

态协作网元结合分布式测控单元信息与卫星星历信息，考

虑测控任务对时延的需求，基于动态测控调度算法实现对

测控任务的高效分配。

4.3.2 星地动态 Xn 接口

星地接入网中，卫星通信层和地面通信层之间通过扩

展 Xn 接口实现星地间动态关系构建，作为星地动态智连

的“神经”，交互传递各项协同信息及决策。

透明转发卫星通信子系统中，NTN 基站与地面大网基

站都位于地面，星地动态 Xn 接口基于地面网络连接建立。

星上再生卫星通信子系统中，NTN 基站位于星上，星地动

态 Xn 接口基于馈电链路窄带频点建立，因此，支持星地

动态连接的地面大网基站需要增加窄带馈电单元。星地动

态 Xn 接口负责完成动态邻区关系、星地干扰信息、业务

负载信息、测控指令信息等的传递。

4.3.3 分布式测控单元

天地一体化接入网为实现卫星馈电与测控协同，

需对测控单元进行改造。一方面采用馈电链路开辟的

独立频点，以复用基站的馈电天线；另一方面将馈电

与测控联合考虑，使两者在硬件架构、波形设计、协

议设计、信号处理等方面进行深度融合，实现部分软

硬件复用。

透明转发卫星通信子系统中，选择部分或全部 NTN

基站部署分布式测控单元；星上再生卫星通信子系统中，

选择部分或全部具备馈电单元的地面大网基站部署测控

单元。由于大网基站的馈电单元是否建立、与哪颗卫星建

立星地动态 Xn 接口都是不确定的，因此，大网基站的馈

电单元与测控单元存在馈电-测控接口，负责完成星地动态

Xn 接口建立信息、测控指令信息的传递。

5 星地协同关键技术

5.1 覆盖协同关键技术

为满足卫星网络与地面网络间覆盖、业务、算力等方面

的紧密协同需求，基于地面控制的灵活波束管理技术将成为

卫星互联网中一条全新的技术路径。针对透明转发和星上再

生两种模式的卫星，卫星波束能够根据地面网络发送的波束

控制指令，灵活地调整波束的指向及功率分配等参数，通过

地面网络深度参与卫星资源的管理调度来提高星地协同效

果，有效降低星座建设成本。但需要研究突破星地交互动态

关系构建、端星地三方精准波束控制同步等核心技术，并辅

以终端位置感知技术、对波束跳变场景的快速接入流程进行

重新设计，以提升终端用户的接入及业务传输性能。

星地动态关系构建：需具备按需、动态建立星地交

互连接的能力以支持实时高效的波束管理信息交互。考

虑采用拓展的星地动态 Xn 接口在地面蜂窝基站和 NTN

基站之间传输波束管理及干扰协调等信息。一是针对透

明转发卫星，地面蜂窝基站基于地面连接即可以与 NTN

基站建立星地动态 Xn 接口；二是针对星上再生模式的星

载 NTN 基站，地面蜂窝基站增加窄带馈电单元，采用基

于馈电链路的星地动态增强 Xn 接口。由此，实现星地间

面向各项协同场景及需求的实时波束控制。

透明转发模式下的端星地三方精准同步技术：现有

3GPP NTN 技术基于透明转发模式下的凝视或平扫波

束，已经完成 R17 的技术标准制定。但是，卫星波束还

需要根据动态变化的业务需求和地面网络的协同需求灵

活跳变[23]。透明转发模式下 NTN 基站位于地面，相控

阵天线及波束控制器位于星上[24]，基于地面控制的波束

管理受星地时延及高动态信道环境的影响。如图 4 所示，

图 4 基于地面控制的灵活波束管理

·18· 天地一体化信息网络 第 4 卷

考虑采用星上轻量化带内接收指令的波束控制机制，在

地面 NTN 基站统一控制下，保证地面控制的波束切换时

刻和空中接口信号经过远距离高动态时变传输后，在星

上达到精准同步，支持多波束扫描、凝视波束跳变，按

需提供业务传输，提高频谱效率及整星容量。

5.2 业务协同关键技术

现有卫星、地面网络独立组网，信息交互灵活性不高、

网络特性差异较大，星地静态网络能力面临与动态、分布

不均匀、多样化的业务需求之间的矛盾，导致卫星网络与

地面网络分配的资源与业务需求不匹配，网络资源利用率不

高。通过新增星地智能动态协作网元，采用高效统一的资源

调度方法，实现卫星网络与地面网络资源的动态共享，在时

间、空间、频率以及功率维度上进行灵活分配，以适应业务

的不均匀分布和动态变化，实现星地资源利用最优化。

面向业务连续性的快速切换：由于星地拓扑动态频繁

变化，网络切换场景多样且复杂，业务连续性保障难度加

大，对切换管理提出了更高的要求。可通过建立星地协同

的业务管理机制，感知用户业务需求，对用户进行统一资

源管理，优化业务体验。如图 5 所示，可面向星地切换场

景动态发现、快速精准构建星地网络邻区关系，优化卫星

网络与地面网络邻区参数配置，保证用户业务连续，尽可

能降低星地切换时延，提升用户体验。

图 5 星地快速切换及智能调度技术

面向不同服务等级的智能调度：网络构成复杂且接入

终端类型众多，需满足不同服务等级的业务需求，实现面

向星地业务负载均衡的智能调度：结合用户业务需求及星

地双连接等方案，通过星地网络负载信息的实时交互，开

展星地业务负载的动态智能卸载，有助于在保证用户业务

体验的情况下实现星地网络业务负载均衡。如图 5 所示，

通过智能调度，用户和卫星、地面基站建立双连接，网络

可以基于用户需求、星地网络特性及负载情况开展智能调

度，如广播及多播业务可通过卫星链路实现关联并高效

开展，单播业务可以优先通过地面网络提供服务。

动态干扰规避技术：基于星地网络频率信息的实时

交互，可快速调整星地网络小区频率部署，开展星地网

络小区频率动态规避，有助于保证星地频谱资源的高效

利用[25-26]，为业务协同提供保障。如图 6 所示，NTN 基

站发生频率调整，卫星能够在星地交叠区域及时通知蜂

窝网络进行频率调整，实现干扰规避；反之，蜂窝基站

若进行频率调整，卫星也能够快速感知，并进行卫星网

络的频率调整，以保证频率利用最大化。

图 6 星地动态干扰规避方案

5.3 节能协同关键技术

为避免轻负载区地面网络通信资源浪费，可以根据业务

分布对地面蜂窝小区工作模式进行合理适配，基于卫星覆

盖，实现地面网络的绿色节能。但卫星波束与蜂窝小区覆盖

范围相差较大，星上处理能力受限，星地节能协同还需考虑

卫星覆盖下的星地网络流量统计、流量负载与蜂窝小区工作

模式的最优映射及面向节能协同的用户群切换等关键问题。

星地网络流量统计：星地智能动态协作单元存在星地

资源块（Resource Block，RB）资源使用统计表。对于地

面网络覆盖，星地智能动态协作网元可通过蜂窝基站或网

管周期性上报获得的业务流量信息；对于卫星网络覆盖，

NTN 基站将会把用户设备标识（User Equipment Identity

Document，UE ID）、缓冲区状态报告（Buffer Status Report，

BSR）与全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite

System，GNSS）信息绑定，并根据其算力、存储能力，

将波位划分为合适数量的地理区域，由此获得各区域对应

的 RB 资源使用情况，上报给星地智能动态协作网元。协

作网元将地理区域与蜂窝小区关联起来，形成统计表。

流量负载与蜂窝小区工作模式的最优映射：如图 7 所

第 3 期 邓伟等：面向星地协同的接入网架构与关键技术 ·19·

示，星地智能动态协作网元基于 RB 资源使用统计表，根

据网络负载情况决策该蜂窝小区选择何种工作模式。一方

面，将蜂窝流量负载划分为多个区间，根据各个蜂窝小区

在一段时间内的流量表现，决定采取正常工作模式、部分

关断的节能模式或小区完全关断模式；另一方面，通过对

各区域的卫星流量统计，决定哪些区域对应的蜂窝小区需

要调整工作模式，避免卫星负载过高。同时，为避免蜂窝

小区频繁调整，需联合考虑星地两网流量对工作模式的影

响，并适时降低经过调整的蜂窝小区各负载区间的流量阈

值。星地智能动态协作网元基于以上决策逻辑，向蜂窝基

站下发工作模式调整命令。

面向节能协同的用户群切换：星地节能协同实则是卫

星与蜂窝小区的协同覆盖，会存在部分用户同时进行卫星

与蜂窝小区之间的群切换的情况，需研究有序可靠的群切

换机制以保障切换稳定，避免业务中断。

5.4 测控协同关键技术

为缓解地面测控压力的同时降低测控投入成本，通过

馈电测控协同实现部分NTN基站及大网基站的测控能力。

针对有限、分布式的地面测控资源，需考虑其与批量化、

多样化的测控任务如何构建动态高效的调度关系，以及面

向动态测控的星地交互流程。

分布式测控高效调度：星地智能动态协作网元根据

卫星星历信息、测控单元位置信息、测控单元复用的是

NTN 基站还是地面大网基站的馈电单元、星地动态 Xn

接口建立消息等，确定测控单元在任意测控时间段内的

可见卫星集。对于复用的是 NTN 基站和即将建立 Xn 接

口的大网基站的馈电单元的场景来说，其可见卫星集只

包含一颗卫星。

基于可见卫星集，星地智能动态协作网元根据卫星健

康状态信息确定可见卫星集的期望测控周期，即健康状态

越差，测控周期越短。星地智能动态协作网元根据可见卫

星集的期望周期、距离上一次测控的时长，以及是否存在

遥控指令、遥控指令的剩余执行时间等信息，对卫星进行

测控紧急度排序，决策该测控单元是否需要进行测控，以

及哪颗卫星被测控。

面向动态测控的星地交互：面向透明转发卫星，星地

智能动态协作网元基于测控调度算法确定测控单元是否

要对该卫星进行测控，与下一次测控的相关信息一起发送

至测控单元。如图 8 所示，面向星上再生模式，星地智能

动态协作网元需先确定是否接收到大网基站经由测控单

元发来的星地动态 Xn 接口建立信息，根据测控调度算法

确定待测卫星，其测控对象是动态不确定的。因此，测控

单元收到测控指令后，需通过馈电−测控接口告知大网基

站馈电单元，使其建立馈电链路或直接基于已有 Xn 接口

告知待测卫星，及时开启测控载荷，下发遥测信息。待测

卫星收到指令后，打开测控载荷进行遥测信息的下发。

图 7 面向星地节能协同的交互流程

·20· 天地一体化信息网络 第 4 卷

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图 8 面向星上再生模式的动态测控交互流程

第 3 期 邓伟等：面向星地协同的接入网架构与关键技术 ·21·

邓伟（1978− ），男，中国移动通信有限公司

研究院无线与终端技术研究所所长、教授级高

级工程师，中国通信标准化协会（CCSA）

TC12 副主席，主要研究方向为蜂窝移动通信

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[作者简介]

·22· 天地一体化信息网络 第 4 卷

赵琳（1986− ），女，中国移动通信有限公司

研究院无线与终端技术研究所高级工程师，

主要研究方向为 TD-LTE、NB-IoT 及卫星互

联网。

翁玮文（1978− ）,男，博士，中国移动通信

有限公司研究院无线与终端技术研究所高

级工程师，主要研究方向为物联网及卫星互

联网。

杜琴（1995− ），女，中国移动通信有限公司

研究院无线与终端技术研究所工程师，主要研

究方向为卫星互联网。

马克（1989− ），男，中国移动通信有限公司

研究院无线与终端技术研究所中级工程师，主

要研究方向为卫星通信及卫星互联网。

程锦霞（1981− ），女，博士，中国移动通信

有限公司研究院无线与终端技术研究所高级

工程师，CCSA TC13 WG1 副组长、IMT-2020

5G 应用工作组组长，主要研究方向为卫星互

联网、面向垂直行业的 5G 专网及 5G 工业互

联网。

张龙（1985− ），男，中国移动通信有限公司

研究院无线与终端技术研究所高级工程师，

CCSA TC5 WG9 副组长，主要研究方向为

4G/5G 移动通信及其演进。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.3

卫星云网：一种云网融合的卫星网络体系架构

虞志刚，丁文慧，陆洲，冯旭，高吉星

（中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041）

摘 要：随着地面移动通信网络从信息随心至的 5G 时代，迈向万物互联的 6G 时代，卫星网络逐渐成为世界各国发展热点。

与此同时，随着星上计算能力提升，星上计算技术与卫星网络技术融合，云网融合成为新的发展趋势。在简要介绍卫星网络、

星上计算发展现状的基础上，系统梳理卫星网络发展架构的路线图，提出一种云网融合的卫星网络体系架构，简称卫星云网，

并从通信接入、网络传输、服务、控制、管理等 5 个方面分析卫星云网体系架构相较于传统卫星网络体系架构的优势。

关键词：卫星网络；星上计算；网络架构；云网融合

中图分类号：TN92

文献标志码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2023027

Satellite Cloud Network: A Satellite Network Architecture

Based on Cloud-Network Integration

YU Zhigang, DING Wenhui, LU Zhou, FENG Xu, GAO Jixing

China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China

Abstract: With the public land mobile communication network transitioning from the 5G era where information flows freely to the 6G

era where everything is interconnected, satellite networks have become a hot development topic all around the world. At the same time,

with the improvement of satellite on-board computing capabilities and the integration of computing and satellite networks, cloud network integration has become a new development trend. On the basis of a brief introduction to the current development status of satellite

networks and satellite computing, the development roadmap of satellite network development architecture was summarized. Then, a

satellite network architecture based on cloud-network integration (i.e. satellite cloud network) was proposed, and the advantages of satellite cloud network architecture from five aspects: computing driven communication enhancement, computing driven network enhancement were analyzed, computing driven service enhancement, computing driven control enhancement, and computing driven management enhancement.

Keywords: satellite network, satellite computing, network architecture, cloud-network integration

0 引言

随着航天技术的迅猛发展，以及商业航天的日益成

熟，航天制造、发射成本大幅降低，世界各国纷纷提出卫

星网络计划，布局以低轨卫星网络为代表的卫星网络建

设，谋求在未来网络技术领域的先发优势和主动权[1]。与

此同时，随着地面移动通信网络从信息随心至的 5G 时代，

迈向万物互联的 6G 时代，构建“网络无所不达、服务无

处不在”的卫星互联网，已逐渐成为行业发展共识，更是

全球科技创新的焦点[2-6]。2023 年 6 月，国际电信联盟完

成了《IMT 面向 2030 及未来发展的框架和总体目标建议

书》，将“泛 在连接”纳入 6G 网络六大场景之一。

随着航天电子技术的迅猛发展以及商用货架器件在

航天领域的广泛使用，星上计算能力快速跃升，已经逐渐

收稿日期：2023−06−10；修回日期：2023−08−31

基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 62201534, No. 61931017）；国家重点研发计划资助项目（No. 2020YFB1806000）；复杂电子系统仿真重点实验基金项目

（No. 614201004032101）

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China(No. 62201534, No. 61931017), National Key Research and Development Program of China

(No.2020YFB1806000), Key Experimental Foundation of Complex Electronic System Simulation (No. 614201004032101)

·24· 天地一体化信息网络 第 4 卷

告别“单片机”时代[7-8]。

星上计算是地面计算技术应用于卫星等航天器产生

的新技术，按照星上计算与地面之间的关系可划分为星上

边缘计算和星上云计算两个阶段：星上边缘计算是相对于

地面云计算中心而言，强调星上计算对地面计算存在依赖

关系，是地面计算的一种补充。当前星上计算能力相对受

限，正处于星上边缘计算阶段，国内外开展了大量研究[9-16]；

星上云计算是在星上边缘计算的基础上，借鉴分布式、云

计算理念形成的新概念，强调随着航天电子技术进步，特

别是高性能宇航级处理芯片的出现以及商用货架芯片的

使用，未来星上计算将有望摆脱对地面的依赖，成为一个

独立的功能域——星上云计算，不再是地面的边缘，而是

可独立运行的卫星云，也就是说，星上云计算是星上边缘

计算发展的高级形态。

伴随着星上计算能力的大幅提升，卫星将具备较强的

处理能力，通信卫星已经告别星上“透传”阶段，正在迈

入星上“处理与组网”阶段，并逐渐向未来星上“云网”

阶段演进。纵观国内外卫星网络架构，根据星上处理能力

所处阶段可划分为以下 3 类。

一是星上“透传”架构，主要应用于星上计算能力较

弱的场景，星上采用透明转发模式[17-18]，即星载“转发器”

仅对物理信号按照提前预设的规则进行变频，再重新转发

至地面站，不对接收到的电磁信号进行调制/解调等处理。

传统卫星通信系统多属于此类，卫星不组网、地面组网，

用户之间通过卫星或地面站（网）进行互联互通，故亦称

“天星地网”架构。

二是星上“处理与组网”架构，主要应用于星上计算

能力较强的场景，卫星之间通过星间链路进行组网，即在

透明转发模式基础上，星上引入信号解调、译码、编码和

调制等系列处理单元，形成星载“基站”“路由器”，并且

辅助以星间链路技术，卫星节点之间构建成网络。铱星二

代等低轨星座均属于这类架构[10]。卫星组网、地面组网，

用户之间通过卫星（网）或地面站（网）实现互联互通，

核心特征是“连接”在星，故亦称为“天网地网”架构。

三是星上“云网”架构，主要应用于星上计算能力进

一步增强的场景，在卫星之间通过星间链路组网的基础

上，通过将部分计算、存储以及信息服务功能“前置”到

星上，在极大提升服务响应速度的同时，也促使由提供“连

接”的卫星网络，向提供“连接+计算”服务的卫星云网

转变，核心特征是“连接+计算”服务在星，本文将此架

构称为“卫星云网”架构。

卫星云网是卫星网络与星上计算的深度融合，本文从

融合的角度出发，梳理了现有卫星网络的体系架构的发展

历程与典型特征，并在此基础上，提出了云网融合的卫星

网络的体系架构和设想。

1 卫星网络架构发展趋势与设想

卫星网络体系架构根据星上计算处理能力的不同，可

分为 3 阶段，如图 1 所示。

图 1 卫星网络体系架构发展阶段

通过这 3 个阶段，卫星网络逐渐从提供“连接”服务

的卫星通信，到提供“组网”服务的卫星网络，再到提供

“组网服务+云服务”的卫星云网。

1.1 星上透传（天星地网）架构

卫星网络体系架构发展历程如图 2 所示。传统卫星通

信系统以高轨卫星通信系统为主，凭借其高、广、远的优

势，理论上仅需 3 颗卫星即可实现全球覆盖（除两极）。

此时卫星以透明转发为主，星上仅对信号进行放大和转

发，不进行处理，此时并不存在所谓的“卫星网络”，每

颗卫星和地面站之间配合，单独为特定用户提供通信服

务。此架构下也存在广义的卫星网络概念，但严格上讲，

是卫星用户之间的网络——用户网络。以图 2（b）为例，

多个用户之间通过卫星、地面站构建成一个任务网络，卫

星之间并不组网，地面站之间可以组网，此种情况也常被

形容为“天星地网”，卫星类似于信号放大器，实现信号

覆盖范围扩大。

1.2 星上组网（天网地网）架构

卫星网络狭义上理解就是“卫星之网络”，指的是

天地组网架构，通过图 2（c）可以看出，卫星之间通过

星间链路构建网状网络，相比于传统卫星通信，卫星网

络将组网前置、连通性前置。此种情况下，用户之间互

联互通的路径更短，传输时延也更低，同时卫星也可以

更多地摆脱对地面站的依赖，形成一个可以独立运行的

网络实体，提升网络的鲁棒性。传统卫星通信是在地面

站组网，不同卫星之间的用户需要通过地面站网才能实

现互联互通，即两跳通信；卫星网络场景下，终端之间

可以通过卫星直接互联，可大幅缩减端到端通信时延。

第 3 期 虞志刚等：卫星云网：一种云网融合的卫星网络体系架构 ·25·

1.3 卫星云网（天地云网）架构

卫星云网是卫星网络发展的高级形态，是卫星网络技

术与星上计算技术融合的产物[11-12]，也是情报信息在轨处

理等各类时敏应用对卫星网络的新要求，通过星上处理，

可以极大地提升服务时效性。此时，卫星节点在通信、网

络功能之外提供计算服务，并在此基础上，通信、网络、

计算资源高度共享、融合，实现卫星网络从传统的管道向

服务跃升，提供多样化服务。

图 2（d）给出了卫星云网架构，卫星云网是在卫星网络

体系架构的基础上，形成的服务型卫星网络，相较于传统卫

星通信、卫星网络，卫星云网将服务前置到了卫星，将分布

式部署在各颗卫星上的计算资源通过星间链路构成一个云

计算资源池，根据应用需求按需调度，从而使卫星功能实现

了极大丰富，可以进一步缩短服务响应时间。如图 3 所示，

通过将广域分布式的星上计算资源、地面计算资源协同融合

起来，构建卫星云网，可为各种航天应用提供“计算基座”。

图 2 卫星网络体系架构发展历程

·26· 天地一体化信息网络 第 4 卷

2 卫星云网特征分析

有别于传统的卫星网络，卫星云网将计算技术与网络

技术深度融合，通过对卫星网络、计算资源的统一管理、

联合调度，最终使卫星网络各方面能力进一步增强或改

善，下面从通信接入、网络传输、服务、控制以及管理等

5 个方面详细分析。

2.1 计算驱动的通信接入增强

随着星上计算能力的提升，学术界广泛提出将部分通

信功能迁移到卫星上，从而实现通信服务能力的增强和优

化[17-26]。

（1）数据面

一方面，通过将基站相关功能部署在卫星上，如图 4

所示，实现星上直接进行射频和基带处理，改变传统透明

转发器只在星上进行上下变频处理等模式，通过卫星节点

具备基站的完整能力，为用户提供无线接入功能，避免因

为长距离传输造成的噪声积累。与此同时，卫星之间通过

星间链路构建一张卫星承载网络，实现星载基站与地面核

心网之间的互联互通。

图 4 星载基站场景（支持星上基带处理，为用户提供无线接入功能）

另一方面，将部分核心网功能部署在卫星上，如图 5

所示，通过在卫星上部署 UPF 等功能，支持卫星用户终端

之间端到端直接通信，无须绕道地面核心网，可以实现数

据面在星上的端到端通信，从而缩短端到端的传输时延，

大幅提升通信效率，降低对星地传输带宽的依赖，提升用

户服务体验。

（2）控制面

通过将部分核心网功能部署在卫星上，实现控制面的

抵近，优化通信服务流程，如图 6 所示，比如通过将接入

与移动性管理功能（Access and Mobility Management

Function，AMF）等功能部署在卫星上，可以直接在星上

图 3 卫星云网（天地云网）架构示意

第 3 期 虞志刚等：卫星云网：一种云网融合的卫星网络体系架构 ·27·

开展接入控制与移动性管理，缩短控制面的时延。

图 5 星载 UPF 场景（支持端到端直接通信，不必经过地面核心网中转）

图 6 星载 AMF 场景

（支持星上用户接入认证与移动性管理，缩短用户接入时间）

综上，在通信方向，随着星上计算处理能力的提升，

通过将相关通信功能网元部署到卫星上，可以有效实现

“以计算换带宽”“以计算换时延”“以计算换灵活架构”

等目标，实现一个更加优化的卫星通信网络。

2.2 计算驱动的网络传输增强

在星上部署路由控制软件，可使卫星实现自主控制管

理，从而实现更加高效的传输。

（1）数据面

通过在星上部署分组转发，可以实现更加灵活的交换

处理，将传统的波束级交换、子带级交换（信道化交换）

进一步细化至分组包级，如图 7 所示，可以实现更细粒度

的交换，适合当前卫星互联网应用场景。

图 7 星上分组交换粒度对比

（2）控制面

通过在星上部署分布式路由协议，如图 8 所示，可以

实现更加快速的路由收敛。尤其是在出现突发异常的场景

下，星上可以直接感知，触发相应的路由收敛过程，从而

实现快收敛，此时卫星网络可以摆脱对地面控制器的依

赖，独立运行。相对而言，传统场景下为了降低对星上计

算处理能力的需求，星上通常仅保留转发面，路由发现与

路由计算由地面站计算之后上注到卫星，此时卫星严重依

赖地面。当出现一些异常的链路或者节点故障时，卫星不

能自主决策，需要等待地面站发现之后再做相应处置。

图 8 星上路由场景（支持星上路由计算，快速发现异常，加速收敛）

综上，在网络方向，随着星上计算处理能力的提升，

通过将相关网络功能网元（分组转发、路由控制）部署到

卫星上，可以有效实现“以计算换带宽”“以计算换实时

控制”“以计算换高效传输”等目标，实现一个更加优化

的卫星网络。

2.3 计算驱动的服务增强

（1）数据处理

针对遥感信息服务，通过在星上部署在轨数据处理应

用，避免遥感卫星大量数据回传落地，如图 9 所示。通过

星上计算极大地减少了星地信息传输量，节省了星地之间

的传输带宽，从而实现“以计算换带宽”。与此同时，遥

感图像在轨处理后直接分发给用户，可大幅减少业务响应

时延，提升服务时效性。

图 9 星上数据处理场景

·28· 天地一体化信息网络 第 4 卷

（2）数据存储

针对在轨数据分发存储类应用，充分发挥卫星广播特

性，在特定地点进行数据存储，为用户提供就近可靠的数

据存储服务，避免了重复从地面获取数据，节省了星地带

宽，实现“以存储换带宽”。在轨数据分发存储类应用主

要包括两类：一类是内容分发类应用；另一类是高价值数

据可靠存储类应用。如图 10 所示，对于内容分发类应用，

根据内容热度在星上进行热点内容的边缘缓存，用户可直

接通过星上 CDN 缓存获取服务；对于高价值数据可靠存

储类应用，根据用户需求在星上进行分布式编码存储，当

用户发起数据请求时，通过星上数据汇聚解码，直接向用

户提供服务。利用星上的计算存储资源，在避免从地面重

复获取数据的同时，也降低了业务响应时延，提升了用户

的业务服务体验。

图 10 卫星 CDN 场景

综上，在服务方面，随着星上计算处理能力的提升，

通过将相关服务功能网元（数据处理、数据存储）部署到

卫星上，可以有效实现“以计算换时延”“以计算换带宽”

“以存储换时延”等目标，实现一个更加优化的卫星服务

网络。

2.4 计算驱动的控制增强

在网络控制增强方面，如图 11 所示，通过部署“地

面综合管控，卫星边缘管控”，将一部分管控功能从地面

迁移到天上，星上为用户提供“就近快速管控”，通过星

上快控制和地面慢控制的协同，提高管控服务质量。地面

综合管控具有最高级别权限，对全网资源及业务服务实施

管理和配置；卫星边缘管控对低轨卫星进行管理和配置，

并通过协作与周边卫星组成协同星群。通过星地协同管

控，实现快慢结合，提升控制实效性。

在业务控制方面，通过在星上部署部分服务编排功

能，对于低时延需求的应用，直接在星上完成资源编排，

将用户需求映射为星载资源的协同策略，调度相应资源为

用户提供快速响应服务，实现卫星的自主运行控制与任务

规划。

综上，在控制方面，随着星上计算处理能力的提升，

通过将控制面功能部署到卫星上，实现控制面功能的星

地分布式部署。对实时性要求高的控制功能在星上执行，

实现快控制；对实时性要求没有那么高的控制功能在地

面执行，实现慢控制。最终通过星地协同实现系统最优

的配置。

图 11 星上控制场景

2.5 计算驱动的管理增强

在管理方面，基于星上算力资源，可以支持更加智能

化的卫星网络管理、资源优化、网络运营等，比如根据卫

星所处的地面区域（海洋、沙漠、城市等）、卫星所处时

区（晚上、白天）、卫星能耗情况等，卫星能够自动地调

整功率分配、资源分配，实现更加高效的资源使用。比如，

当卫星处于黑夜区域时，用户较少，卫星可进入低功率运

行模式，仅有少数载荷加电运行。如图 12 所示，随着卫

星从陆地区域运动到海洋区域，卫星的波束资源由以宽带

为主向以物联为主进行自主智能调配。

第 3 期 虞志刚等：卫星云网：一种云网融合的卫星网络体系架构 ·29·

图 12 星上智能管理场景（基于位置数据、历史数据等信息

进行状态智能优化）

综上，在管理方面，基于星上提供的强大算力支持，

通过将相关智能化管理功能部署到卫星上，可以有效实现

更加高效的自主运行和管理，提升卫星网络管理的时效性

与高效性，同时简化大规模卫星网络的管理，可有效实现

“以计算换智能”，实现一个更加智能的卫星网络。

3 结束语

随着航天电子技术的进步，特别是高性能宇航级处理

芯片的出现，未来卫星网络将有望摆脱对地面的依赖，成

为一个独立的功能域——卫星云；与此同时，卫星网络技

术与计算技术彼此渗透，云网融合成为卫星网络发展的新

趋势。

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·30· 天地一体化信息网络 第 4 卷

虞志刚（1989− ），男，博士，中国电子科技

集团公司电子科学研究院高级工程师，主要研

究方向为卫星通信网络。

丁文慧（1987− ），女，博士，中国电子科技

集团公司电子科学研究院高级工程师，主要研

究方向为卫星通信网络。

陆洲（1970− ），男，硕士，中国电子科技集

团公司电子科学研究院研究员，主要研究方向

为卫星通信网络。

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University, 2023, 48(8): 1256-1263.

[作者简介]

冯旭（1987− ），博士，中国电子科技集团公司电子科学研究院

高级工程师，主要研究方向为卫星通信网络。

高吉星（1988− ），博士，中国电子科技集团公司电子科学研究

院高级工程师，主要研究方向为空间智能计算。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.3

卫星物联网系统的新型多址接入技术

白伟 1

，张钰婕 1

，康绍莉 1,2，缪德山 1,2，孙韶辉 1,2，陈山枝 2

（1. 中信科移动通信技术股份有限公司，北京 100083；

2. 中国信息通信科技集团有限公司无线移动通信全国重点实验室，北京 100083）

摘 要：面向传播时延大、需要服务更大规模用户数的卫星物联网场景，首先分析 IoT NTN 在技术方案方面的不足，进而提出非

协调的随机接入和非正交多址传输（Uncoordinated Random Access and NOMA Transmission, URAT）新型多址接入解决方案。非协

调指终端从随机接入到多址传输的过程中不需要专门的网络协调信令；非正交多址传输指所有终端在接入和传输过程中共享基站

的时频资源实现非正交多址传输；URAT 还实现了多址接入和 NOMA 传输的融合。理论分析和数值仿真结果表明，所提方案能够

降低多址接入时延，提高系统效率，增加可以服务的终端数量，将是面向 6G 卫星物联网场景的潜在解决方案。

关键词：卫星物联网；IoT NTN；多址接入；URAT

中图分类号：TP393

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2023028

New Multiple Access Technologies for Satellite

Internet of Things System

BAI Wei1

, ZHANG Yujie1

, KANG Shaoli1,2, MIAO Deshan 1,2, SUN Shaohui1,2, CHEN Shanzhi2

1. CICT Mobile Communication Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China

2. State Key Laboratory of Wireless Mobile Communication, China Information and

Communication Technologies Group Co., Ltd., Beijing 100083, China

Abstract: For satellite internet of things (IoT) scenarios with high propagation delay and the need to serve a larger number of users,

firstly the shortcomings of IoT NTN in terms of technical solutions were analyzed, and then a new type of multi access solution called

uncoordinated random access and NOMA transmission (URAT) was proposed. “Uncoordinated” refers to the process where a terminal

does not require specialized network coordination signaling; “NOMA transmission” refers to the sharing of base station

time-frequency resources by all terminals; URAT also achieves the integration of multiple access and NOMA transmission. Theoretical

analysis and numerical simulation results indicated that the proposed scheme could reduce multi access latency, improve system efficiency, and increase the number of devices that could be served. It will be a potential solution for the 6G satellite IoT scenarios.

Keywords: satellite IoT, IoT NTN, multiple access, URAT

0 引言

3GPP 自 R14 阶段开始进行基于 5G 新空中接口（New

Radio, NR）的非地面网络（Non-Terrestrial Network, NTN）

的研究，输出了一系列的成果，包括梳理典型用例并形成

报告 TR 38.822[1]，探讨技术方案并形成报告 TR 38.811[2]

和 TR 38.821[3]。随后开启标准制定工作并于 2022 年 6 月

R17 阶段形成第 1 版透明转发卫星通信标准[4-10]，支持宽

带互联网业务和窄带物联网业务。IoT NTN 代表卫星物联

网系统，其在技术方案上最大化复用 NR 的卫星互联网系

统（简称“NR NTN”），涉及的关键技术方案包括链路

预算、时频同步、定时关系、用户面协议增强、控制面协

议增强等，能够达到的系统性能优化[11]有：克服卫星通信

远距离传输路径损耗较大、链路预算较差的问题，600 km

收稿日期：2023−04−12；修回日期：2023−08−30

基金项目：国家重点研发计划资助项目（No. 2020YFB1807900）

Foundation Item: National Key Research & Development Program of China (No. 2020YFB1807900)

·32· 天地一体化信息网络 第 4 卷

高度低轨卫星在 45°倾角情况下连接密度可以达到每平方

米约 0.0114 个 IoT NTN 终端设备；很大程度地减小了由

于传输时延大造成的吞吐量或系统效率的损失。

针对 6G，国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）已经完成了未来技术趋势报告[12]和框

架报告[13]，其中空天地一体化已经成为业界共识，预期为

6G 带来全域覆盖的泛在连接。以移动物联网应用为例，

相对于 5G 支持的接入用户数目，6G 将会有十到百倍的提

升。面向传播时延大、需要服务更大规模用户数的卫星物

联网场景，现有的 IoT NTN 技术难以满足场景需求，由此

需要进行方案的优化[14-24]。本文提出非协调的随机接入和

非正交多址传输（Uncoordinated Random Access and

NOMA Transmission, URAT）新型多址接入解决方案，简

化 IoT NTN 的多址接入流程，从而降低多址接入时延、增

加可以服务的终端数量，预计可满足 6G 空天地一体化系

统的卫星物联网应用需求。

NOMA 技术在 3GPP NR R14 阶段研究项目（SI）期

间进行了研究和讨论，SI 的结论为至少对于 eMBB 支持上

行正交多址；至少对于 mMTC，除了正交方案，目标支持

上行非正交多址。最终，NOMA 并未被包含在 3GPP NR

R15 工作项目（WI）的立项内容之内。

2017 年 3 月 RAN（Radio Access Network）全会通

过了 3GPP NR R15 NOMA SI，继续研究上行非正交多址

技术，但为了给其他 NR WI 更多的时间，NOMA SI 直

到 2018 年 2 月才开始在 RAN1 进行讨论，项目也推迟到

3GPP NR R16。NOMA SI 于 2018 年 12 月结项，没有达

成一致结论[25]。

1 IoT NTN 技术方案和问题分析

1.1 3GPP IoT NTN 技术方案

自 2020 年，3GPP 在 R17 阶段开始对 IoT NTN 进行

研究与标准化[4-10]，研究了时间频率同步补偿、定时增强、

HARQ 增强、连接态的移动性管理、寻呼和空闲态管理等

协议中潜在的问题，制定了基于星历信息和终端的位置信

息的时间频率同步补偿，通过引入偏移量修正定时关系，

增大 HARQ 进程数量，通过允许禁用 HARQ 反馈和允许

配置非重传模式等增强 HARQ，基于卫星移动规律使用

条件切换机制，引入新的同步块测量时序配置，引入软

跟踪区域更新码等关键技术方案，最终形成了 IoT NTN

技术标准。

自 2022 年，3GPP 在 R18 阶段继续对 IoT NTN 进行

技术增强，目前仍在进行中，主要内容包括继续解决 R17

阶段遗留的问题，包括 HARQ 反馈关闭、GNSS 测量触发

等。还包括 4 个新的问题：覆盖增强，考虑 NR 覆盖增强

方案在 NTN 系统中的适用性，实现智能手机直联卫星的

目标；UE 位置的网络验证，提高 IoT NTN 的安全性；移

动性和业务连续性增强，设计和完善 TN-NTN 之间的移动

性方案；10 GHz 以上频谱的支持，研究和确定 NTN 示例

频段，包括相邻信道共存的场景和规则。

分析 3GPP R17 阶段和 R18 阶段的工作内容发现，NR

NTN 标准是在尽可能重用 NR 标准的原则基础上形成的，

IoT NTN 标准是在尽可能重用 NR NTN 标准的原则基础上

形成的，R17 阶段和 R18 阶段的目标均是解决一些卫星场

景下直接使用 NR 标准无法解决的问题，解决问题的标准

是使得 IoT NTN 终端能够在卫星场景下进行通信。卫星距

离终端远，传播时延大，导致 IoT NTN 终端接入卫星时时

延大、系统效率低、可服务的终端数量少等问题，需要从

多址接入和传输的角度去优化 IoT NTN 标准。

1.2 问题分析

接下来，分析基于目前 IoT NTN 标准的多址接入和传

输流程，这个复杂的流程非常不适合 IoT NTN 系统，需要

在 6G 中进行简化和优化。

目前 IoT NTN 标准的多址接入和传输流程非常复杂。

当 UE 需要向网络发送数据时，UE 将先后经过以下基本

流程：接入 gNB、向网络注册、接受网络鉴权、接受网络

安全配置、上报 UE 能力、与 gNB 建立 RRC 连接、与 UPF

建立 PDU 会话连接、调度请求、接受上行传输调度、数

据传输、得到确认信息等，具体流程如图 1 所示，图中的

26 次空中接口信令简单解释在图下方标注（1）～（26）

中[26]。从图 1 中可以看出，UE 和 gNB 之间将进行至少 26

次空中接口传输，当有重传发生时，空中接口传输次数会

更多。

如此复杂的多址接入和传输流程不适合 IoT NTN 系

统。卫星的传播时延非常大，假设卫星距离地面的高度分

别为 600 km（LEO）、1 200 km（MEO）、35 786 km（GEO），

假设卫星有效覆盖的最小俯仰角为 10°，根据地球半径约

6 371 km，可以计算出卫星到终端设备的最远距离分别为

1 924 km、3 125 km、40 567 km。对于透传类型的卫星，

仅由距离引起的单程传播时延分别达到 12.83 ms、

20.83 ms、270.45 ms。在不考虑 IoT 终端和卫星的处理时

间、不考虑空中接口的重传时间等条件下，26 次空中接口

信令传输需要的时间分别为 334 ms、542 ms、7 000 ms。

如此大的传播时延将会导致 3 个主要的问题：LEO 卫星的

移动速度快（7.5 km/s）、波束直径小（20 km），卫星服

第 3 期 白伟等：卫星物联网系统的新型多址接入技术 ·33·

务时间不超过 2.7 s，卫星覆盖边缘位置的服务时间更小，

将有一定比例的 IoT 终端获得的服务时间小于信令交互时

延 334 ms，这些 IoT 终端是无法得到 IoT NTN 服务的；IoT

终端通常会发送一些小数据包，图 1 的多址接入流程中各

种开销对 IoT NTN 场景的小数据包来说非常大，导致系统

效率非常低；复杂的多址接入流程，使得每个 IoT NTN 终

端都会长期占用资源，因此限制了 IoT NTN 系统可以服务

的终端数量。

因此，需要对 IoT NTN 场景引入新型多址接入和传输

流程，目标包括简化流程，降低时延，提高系统效率，增

加可以服务的终端数量等。

（1）通过解析 PSS、SSS、MIB、SIB1，UE 获得下行

时频同步、帧定时、小区识别、初始接入参数等。

（2）UE 选择和发送 Preamble，即 RACH MSG1。

（3）gNB 检测到 Preamble 后，向 UE 发送 RAR 消息，

即 RACH MSG2。

（4）UE向gNB发送RRC Setup Request消息，即RACH

MSG3。

（5）gNB向UE发送RRC Setup消息，即RACH MSG4，

用于竞争解决和建立 SRB1。

（6）UE 向 gNB 反馈 HARQ ACK，表示收到 RACH

MSG4。

图 1 IoT NTN 标准中的多址接入和传输流程

·34· 天地一体化信息网络 第 4 卷

（7）UE 根据 RRC Setup 消息建立 SRB1 后，在 SRB1

上向 gNB 发送 RRC Setup Complete 消息，携带的信息包

括注册的 AMF ID、切片类型和第一条 NAS 消息，其中

NAS 消息可能为 NAS Registration 消息。

gNB 收到 RRC Setup Complete 消息后，根据其中的

AMF ID 选择 AMF，向 AMF 发送 Initial UE Message 消息，

同时转发 UE 的 NAS Registration Request 消息。

AMF 经过 gNB 向 UE 发送 NAS ID Request 消息。

（8）gNB 向 UE 发送 NAS ID Request 消息。

（9）UE 经过 gNB 向 AMF 发送 NAS ID Response 消

息，消息中包含 UE 的 SUCI 信息。

（10）AMF 经过 gNB 向 UE 发送 NAS Authentication

Request 消息，包含鉴权参数。

（11）UE 使用鉴权参数和 UE 的 SUCI 等运算后得到

鉴权响应，经过 gNB 向 AMF 发送 NAS Authentication

Response 消息。

（12）AMF 经过 gNB 向 UE 发送 NAS Security Mode

Command 消息，包含加密和完整性保护算法，同时还会

携带 ngKSI、Replayed UE Security capabilities 等信息。

（13）UE 经过 gNB 向 AMF 发送 NAS Security Mode

Complete 消息，对上述 SMC 消息进行确认，可能还携带

完整的初始 NAS 消息。

（14）AMF 向 gNB 发送 Initial Context Setup Request

和 Registration Accept 消息，在 gNB 上建立 UE 上下文。

gNB 通过 UE Capability Enquiry 消息向 UE 查询其无

线能力。

（15）UE 经过 gNB 向 AMF 发送 UE Capability Information 消息。

（16）gNB 向 UE 发送 AS Security Mode Command 消

息，包括 AS 层安全激活参数。

（17）UE 通过 SIM 卡中的用户数据完成安全激活，

并向 gNB 发送 AS Security Mode Complete 消息，告知 gNB

完成了安全激活。

（18）gNB 向 UE 发送 RRC Connection Reconfiguration

消息来建立 SRB2 和 DRB，同时携带 Registration Accept

信息。

（19）UE 向 gNB 回复 RRC Connection Reconfiguration

Complete 消息，gNB 收到后，通过 Initial Context Setup

Response 消息向 AMF 报告。

（20）UE 经过 gNB 向 AMF 发送 NAS Register Complete 消息，完成 UE 在核心网的注册流程。

（21）UE 经过 gNB 向 AMF 发送 NAS PDU Session

Establishment Request 消息。

（22）AMF 经过 gNB 向 UE 发送 NAS PDU Session

Establishment Accept 消息。

（23）UE 向 gNB 发送调度请求消息 SR。

（24）gNB 向 UE 发送上行调度许可 UL Grant 消息。

（25）UE 向 gNB 发送数据，gNB 发送给 UPF 和 DN。

（26）gNB 向 UE 反馈 HARQ ACK 信息。

2 非协调的随机接入与非正交多址传输方案

URAT 从网络架构、协议栈、数据流、接口、安全

机制、多址接入流程等多方面进行了设计。在网络架构

方面，URAT 方案在 gNB 上增加了应用代理，该应用代

理为 gNB 服务的 IoT 终端提供 NAS 功能，向 gNB 服务

的 IoT 终端提供上行数据转发功能，使用该应用代理后

IoT 终端不需要直接与核心网交互信令和数据。针对新

的网络架构，协议栈、数据流、接口等做了相应调整。

在安全机制方面，应用代理把 IoT 终端使用的完整性保

护密钥和数据加密密钥的生命周期延长。新的多址接入

和传输流程如图 2 所示，终端接入 gNB 后，图 1 中向网

络注册、接受网络鉴权、接受网络安全配置、上报 UE

能力、与 gNB 建立 RRC 连接、与 UPF 建立 PDU 会话

连接等步骤，用图 2 中的 UE 和 gNB + App Proxy 之间

的信令（7）~（9）代替，通过使用低复杂度的安全机制

简化流程；图 1 中的调度请求、接受上行传输调度、数

据传输等步骤，用图 2 中的 UE 和 gNB + App Proxy 之

间的信令（10）~（11）代替，使用低复杂度的传输机制

简化流程。图 2 中信令（10）~（11）两个流程，在完整

性保护密钥和数据加密密钥的生命周期内可以进行任意

次。本文将聚焦图 2 中最重要的步骤即信令（10）（URAT

Transmission）的设计和性能分析。

图 2 中 UE 和 gNB + App Proxy 之间的信令（10）~

（11）可以有多种实现方案，包括借用 5G 中的 3 种方

案[26]，如图 3 中左边 3 种方案，简称方案 1~3。方案 1

为 4-Step RACH + UL grant + Data，该方案的时延最大，

需要通过优化多址接入流程，降低时延。方案 2 为 2-Step

RACH + UL grant + Data，该方案相比方案 1 减少了两次

空中接口交互，时延较小。方案 3 为 2-Step RACH based

SDT，该方案将数据传输与接入进行了融合，相比方案 2

减少了 4 次空中接口交互，进一步降低了时延。为了进

一步降低空中接口上的多址接入时延，本文提出图 3 中

的方案 4。方案 4 为 1.5-Step RACH based SDT，也可以

称为 one-shot 方案，该方案相比方案 3 减少了一次空中

第 3 期 白伟等：卫星物联网系统的新型多址接入技术 ·35·

接口交互，是时延最低的方案。1.5-Step RACH based SDT

方案的流程如图 4 所示。

图 3 4 种 URAT 方案

图 4 1.5-Step RACH based SDT 的流程

Step 1.5是指gNB仅需要根据 msgU Payload的检测结

果，向 UE 反馈 HARQ ACK，不是通常的 gNB 对接入过

程完成的确认。1.5-Step RACH based SDT 方案不需要通过

信令交互 UE 在空中接口上的 ID，而是使用由待传输数据

产生的内生比特作为数据发送和数据反馈确认的身份信

息，这是该方案与方案 1~3 之间的不同之处。msgU 的帧

结构如图 5 所示，其中，前导 Preamble 和数据 Payload 联

合发送，前导起到随机接入和控制数据格式的功能，数据

部分使用 NOMA 传输。

图 5 msgU 的帧结构

1.5-Step RACH based SDT 方案的通信流程如下。

（1）包括 RRC_IDLE 态 UE，UE 可以发起 1.5-Step

RACH 传输，其中上行传输的信道资源是由 gNB 通过系

统信息配置给 UE 的。

（2）Preamble 的选择不再是随机的，而是根据 Payload

内生比特（16 或 24 比特）的取值确定。

（3）Preamble 的数量增加到 64K 个或 16M 个，这些

数量的 Preamble 是根据 RACH 配置信息通过多个较短

Preamble 组合产生的。

（4）Payload 上传输的控制面数据和用户面数据包括：

UE-Identity、resume MAC-I、用户面数据，其中 UE-Identity

是 5G-S-TMSI 的后 39 比特，resume MAC-I 是 UE 基于

UE 存储的安全 Key 及之前 RRC 消息中的 NCC 值产生的，

当 UE 发生切换时需要更新安全密钥，控制面数据和用户

面数据的大小在几字节到几百字节之间。

（5）Payload 使用的多址方式可以为 NOMA，所有

的 UE 将共享信道资源，Payload 的发送方式，包括交

织、加扰、分集、RV 等，由 Payload 的内生比特决定

和指示。

（6）HARQ-ACK 反馈所使用的 UE ID 为 Payload 内

生的 UE ID，可以使用 PDCCH Type 2-2 中类似 TPC 进行

传输，可以同时向多个 UE 发送。

图 2 新的多址接入和传输流程

·36· 天地一体化信息网络 第 4 卷

3GPP 曾经考虑了非正交多址技术在 mMTC、uRLLC、

eMBB 3 种场景下的应用[25]，但是还没有考虑在 IoT NTN

场景下的应用，可以从各家公司向 3GPP 提交的 17 种

NOMA 方案中选择适合 IoT NTN 场景的 NOMA 方案，进

行进一步的评估，主要是应用 IoT NTN 信道、考虑小数据

包传输、考虑大量 IoT NTN 终端等新的评估条件。大唐电

信科技产业集团提出的 PDMA 方案，最早引入了不等分

集度的设计思想，非常适合大量终端的场景。PDMA 可以

继续进行演进，包括支持更多的终端数量、适用于 IoT

NTN 信道、适用于小数据包传输等，主要涉及以下几个方

面的演进。

（1）产生更多的 PDMA 序列

为了支持更多的终端同时接入网络，PDMA 方案

需要产生更多的 PDMA 序列，同时，PDMA 序列的长

度也会更长，以支持更多终端同时接入网络所需的低码

率。更长的 PDMA 序列长度，允许有更多的 PDMA 序

列备选。

（2）扩展 PDMA 序列的元素

PDMA 序列包含元素{0, ±1, ±j}，相当于对星座点数

据进行 0°、±90°和 180°的旋转操作，其性能可以进一步增

强。对于 PDMA 序列包含的元素，不再局限于{0, ±1, ±j}，

可以扩展到{0, ±1, ±j, ±1±j, ±3±j, ±1±3j, …}。扩展 PDMA

序列的元素，可以增强 PDMA 序列自身的性能，还可以

获得更多的 PDMA 序列数量。

（3）设计导频

终端从导频池中随机选择一个导频，通过导频和扩频

码/多址码之间的绑定关系，可以确定得到扩频码/多址码。

通过该设计，可以有效解决导频污染问题。这个增强的导

频设计，不需要网络的协调，而是由终端自主选择，所以

能够支持更多的终端接入。

3 性能分析与评估

鉴于本文提出的新多址接入和传输流程（图 2）相对

于 IoT NTN 标准中的多址接入和传输流程（图 1）明显

简化了步骤，从 26 次信令交互减小到 11 次信令交互，

增益是可见的，限于篇幅，本文不再进行定量分析。下

面重点对比分析 4 种 URAT 方案的性能，给出 1.5-Step

RACH based SDT 方案在降低时延、提高系统效率、增加

可以服务的 IoT 终端数量等方面的增益。这是因为在图 2

中，认证和安全步骤进行一次，而 URAT 可以发生很多

次，也就是说，URAT 的性能决定了新多址接入和传输

流程的性能。

性能评估方法采用数值分析仿真的方法，针对 4

种 URAT 方案，得到具体的流程步骤及其对应的时延

大小，再给出一套典型参数，最后得到 4 种方案的时延

性能。

4-Step RACH+UL grant+Data 方案的时延分析见表 1，

共有 7 个步骤，如果不算重传的话则共有 6 个步骤。该方

案的步骤最多，时延是最大的。

2-Step RACH+UL grant+Data 方案的时延分析见表 2，

共有 5 个步骤，如果不算重传的话则共有 4 个步骤。该方

案相比上一个方案，时延会降低。

2-Step RACH based SDT 方案的时延分析见表 3，共有

4 个步骤，如果不算重传的话则共有 3 个步骤。该方案相

比上一个方案，时延进一步降低。

1.5-Step RACH based SDT 方案的时延分析见表 4，共

表 1 4-Step RACH+UL grant+Data 方案的时延

步骤 时延大小 解释

发送 MSG1 1 slot 第一次传输

等待 MSG2 ra-Response Window RAR 窗口在 RO 的最后一个符号之后，从用于接收 Typel-PDCCH CSS 的最早

CORESET 的第一个符号开始

可能重发 MSG1 （NT,1+0.75）ms+1 slot 在 RAR 窗口的最后一个符号之后或者 PDSCH 接收的最后一个符号之后的

（NT,1+0.75）ms 内进行 PRACH 重传，最大重传次数为 Preamble Trans Max

发送 MSG3 （NT,1+NT,2+0.5）ms+1 slot 所接收的、承载 RAR 的 PDSCH 的最后一个符号与该 RAR 调度的 MSG3 的 PUSCH

传输的第一个符号之间的最小时间等于（NT,1+NT,2+0.5）ms

等待 MSG4 ra-Contention Resolution Timer 从发送 MSG3 的最后一个符号之后开始，启动计数器，到接收到 MSG4

发送 HARQ-ACK （NT,1+0.5）ms+1 slot 发送包含 HARQ-ACK 信息的 PUCCH 的第一个符号与所接收的相应 PDSCH 的最后

一个符号之间的最小时间等于（NT,1+0.5）ms

发送 SR、等待 UL grant、

发送数据、等待 HARQ 确认、重传

（n+1）×（T0+T1+T2+T3） n 是重传次数，T0 是发送调度请求的时间，T1 是等待 UL grant 的时间，T2 从 UE 发

送数据的时间，T3 是等到 HARQ 反馈的时间

第 3 期 白伟等：卫星物联网系统的新型多址接入技术 ·37·

有 3 个步骤，如果不算重传的话则共有 1.5 个步骤。该方

案相比上一个方案，时延进一步降低。

接下来，给出一套典型参数取值的示例，具体见表 5。

表 5 典型参数取值

参数 取值

1 slot 1 ms

NT,1 10/14 ms

NT,2 12/14 ms

在没有重传发生时，可以得到 4 种多址接入技术方

案的时延数值，如图 6 所示。可以看出，第 4 种 1.5-Step

RACH based SDT 的时延相比其他 3 种方案有明显的降

低，方案 4 的时延是方案 3 时延的约 36%、方案 2 时延的

约 25%、方案 1 时延的约 7%，可以作为 IoT NTN 场景甚

至 6G 中的新型多址接入技术方案。

接下来分析系统效率、可以服务的终端数量、碰撞概

率方面的性能。

假设所有信令交互占用资源近似相同、IoT 终端需要

发送一个小数据包，在没有重传的情况下， 4-Step

RACH+UL grant+Data 方案的 6 个步骤需要进行 9 次信令

交互，系统效率为 11%，而 1.5-Step RACH based SDT 方

案的 1.5 个步骤仅需要进行 2 次信令交互，系统效率为

50%。对于 IoT 终端通常发送一些小数据包的 IoT NTN 场

景来说，相比 4-Step RACH+UL grant+Data 方案，1.5-Step

RACH based SDT 方案可以明显提升系统效率。

图 6 4 种方案的时延性能比较

假设所有信令交互占用资源近似相同，IoT 终端需要

发送一个小数据包，在没有重传的情况下，从可以服务的

表 2 2-Step RACH+UL grant+Data 的时延

步骤 时延大小 解释

发送 MSGA 2 slot 第一次传输

等待 MSGB ra-Response Window RAR 窗口在 RO 的最后一个符号之后，从用于接收 Typel-PDCCH CSS 的最早 CORESET

的第一个符号开始

可能重发 MSGA （NT,1+0.75）ms+2 slot 在 RAR 窗口的最后一个符号之后或者 PDSCH 接收的最后一个符号之后的（NT,1+0.75）ms

内进行 PRACH 重传，最大重传次数为 Preamble Trans Max

发送 HARQ-ACK （NT,1+0.5）ms+1 slot 发送包含 HARQ-ACK 信息的 PUCCH 的第一个符号与所接收的相应 PDSCH 的最后一个

符号之间的最小时间等于（NT,1+0.5）ms

发送 SR、等待 UL grant、

发送数据、等待 HARQ 确认、重传

（n+1）×（T0+ T1+T2+T3） n 是重传次数，T0 是发送调度请求的时间，T1 是等待 UL grant 的时间，T2 从 UE 发送

数据的时间，T3 是等到 HARQ 反馈的时间

表 3 2-Step RACH based SDT 的时延

步骤 时延大小 解释

发送 MSGA 2 slot 第一次传输

等待 MSGB ra-Response Window RAR 窗口在 RO 的最后一个符号之后，从用于接收 Typel-PDCCH CSS 的最早 CORESET 的第一个符号开始

可能重发 MSGA （NT,1+0.75）ms+2 slot 在 RAR 窗口的最后一个符号之后或者 PDSCH 接收的最后一个符号之后的（NT,1+0.75）ms 内进行 PRACH 重

传，最大重传次数为 Preamble Trans Max

发送 HARQ-ACK （NT,1+0.5）ms+1 slot 发送包含 HARQ-ACK 信息的 PUCCH 的第一个符号与所接收的相应 PDSCH 的最后一个符号之间的最小时间

等于（NT,1+0.5）ms

表 4 1.5-Step RACH based SDT 的时延

步骤 时延大小 解释

发送 msgU 2 slot 第一次传输

等待 HARQ 反馈确认信息 （NT,1+NT,2+0.5）ms+1 slot 所发送的 msgU 的最后一个符号与该 msgU 的反馈 HARQ 的第一个符号之间的最小时间等于

（NT,1+NT,2+0.5）ms

可能重发 msgU （NT,1+0.5）ms+2 slot 在RAR窗口的最后一个符号之后的（NT,1+0.5）ms内进行msgU重传，最大重传次数为Preamble

Trans Max

·38· 天地一体化信息网络 第 4 卷

IoT 终端数量的角度看，4-Step RACH+UL grant+Data 方案

服务一个 IoT 终端，1.5-Step RACH based SDT 方案可以服

务 4.5 个 IoT 终端。因此相比 4-Step RACH+UL grant+Data

方案，1.5-Step RACH based SDT 方案能明显增加可以服务

的 IoT 终端数量。

关于碰撞概率性能，方案 1~3 中，所有用户共享最大

64 个 Preamble，方案 4 中，所有用户共享最大 64 K 个

Preamble。那么，方案 4 的每用户多址接入碰撞概率为方

案 1~3 的每用户多址接入碰撞概率的 1/1 000。数据部分使

用 NOMA 技术共享所有资源，检测成功率取决于所采用

的 NOMA 方案和多用户检测技术。

4 需要进一步研究的问题

本文提出了 URAT 新型多址接入解决方案，并且针对

其中最为核心的 URAT 过程，提出了 1.5-Step RACH based

SDT 交互流程，URAT 方案能够降低多址接入时延，提高

系统效率，增加可以服务的 IoT 终端数量，但是仍然存在

一些问题需要进一步的研究。

首先是 URAT 方案的实现复杂度问题。一方面，URAT

需要较为复杂的 NOMA 接收进行多用户信号的接收和检

测；另一方面，6G 需要支持更多的终端同时接入网络，这

个数量可能是 5G 的 10 倍到 100 倍，网络需要同时检测非

常多的终端信号，因此，URAT 方案将需要较高或极高复

杂度的接收机。URAT 低复杂度接收机的实现方案是一个

需要进一步研究的问题，考虑到人工智能（AI）技术的普

及，基于 AI 的 URAT 接收机将会是一个潜在的解决方案。

其次是 URAT 方案的工作鲁棒性问题。URAT 方案相

对于 IoT NTN 标准中的多址接入和传输流程明显简化了

步骤，这可能会降低URAT方案的工作鲁棒性，为此URAT

方案提供了回退机制，即当网络或网络在正确接收到

URAT 的交互信令 A 后一直无法正确接收 URAT 的交互

信令 B，则终端或网络将回退到 IoT NTN 标准中的多址接

入和传输流程，从 URAT 的交互信令 A 对应的 IoT NTN

标准中的交互信令的下一条交互信令开始交互。URAT 中

回退方案的具体实现是一个需要进一步研究的问题。

最后是接入安全性问题。一方面，大多数卫星物联网

终端对可靠性的要求可能不如智能手机等终端对可靠性

的要求那么高，这主要是由物联网终端的成本属性决定

的；另一方面，URAT 方案从网络架构、安全机制等方面

探索了适合大量卫星物联网终端场景下的低复杂度安全

性保证方案，但仍然需要继续在安全性和复杂度之间进行

权衡。URAT 方案的安全性是一个需要进一步研究的问题。

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第 3 期 白伟等：卫星物联网系统的新型多址接入技术 ·39·

白伟（1976− ），男，中信科移动通信技术股

份有限公司物理层协议研究资深工程师，主

要研究方向为 6G、移动通信系统设计、多址

接入。

张钰婕（1996− ），中信科移动通信技术股份

有限公司无线技术研究工程师，主要研究方向

为多址接入。

康绍莉（1974− ），中国信息通信科技集团有

限公司无线移动通信全国重点实验室工程师，

中信科移动通信技术股份有限公司移动系统

研究高级技术专家，主要研究方向为多址接

入、频谱共享、卫星通信及 6G 等。

缪德山（1978− ），中国信息通信科技集团有

限公司无线移动通信全国重点实验室工程师，

中信科移动通信技术股份有限公司高级工程

师，主要从事 3GPP NTN、卫星通信以及星地

融合空中接口传输方面的研究工作。

孙韶辉（1972− ），中国信息通信科技集团有

限公司无线移动通信全国重点实验室教授级

高级工程师，中信科移动通信技术股份有限公

司副总经理，长期从事移动通信新技术研究与

标准制定工作，主要研究方向为移动通信系统

设计及多天线技术、卫星通信、定位等。

陈山枝（1968− ），中国信息通信科技集团有

限公司无线移动通信全国重点实验室主任，负

责 4G 和 5G 移动通信、C-V2X 车联网技术与

标准研究及产业化工作，主要研究方向为

B5G 和 6G、车联网、卫星移动通信等。

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作者简介

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.3

低轨卫星通导一体化信号设计及处理

刘炳宏，赵亚飞，彭木根，赵祥天，封慧琪

（北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876）

摘 要：通导一体化是现代卫星通信与导航领域的重要发展方向。低轨巨型通信星座的迅速发展提供了丰富的载荷、链路和终

端资源，以及强大的通信覆盖及信息传输能力，同时利用低轨星座几何构型变化快、落地功率强等特点，可实现对现有导航系

统的补充、备份和增强，从而提供覆盖更广、精度更高且更为稳健的通信与导航服务。低轨卫星通导一体化系统中，发送信号

设计及接收信号处理是实现高效通信与高精度导航的关键环节。为此，首先梳理低轨卫星通导融合的演进过程；其次，围绕发

送信号设计和接收信号处理，重点阐述帧结构和接收机设计的相关方案；最后，探讨未来所面临的挑战及潜在解决方案。

关键词：低轨卫星；通导一体化；发送信号设计；接收信号处理

中图分类号：TP393

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2023029

Design and Processing of Communication and Navigation

Integrated Signal Based on LEO Satellite

LIU Binghong, ZHAO Yafei, PENG Mugen, ZHAO Xiangtian, FENG Huiqi

State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Abstract: The integration of communication and navigation is an important direction in modern satellite communication and navigation

fields. The advancement of low earth orbit (LEO) mega-constellations provides the abundant load, link and terminal resources, as well

as the powerful communication coverage and information transmission capabilities. Moreover, together with the fast-changing geometric configuration and strong power, the LEO satellites can complement, backup, and enhance the existing navigation systems to provide

communication and navigation services with broader coverage, higher precision and reliability. In the LEO satellite-enabled communication and navigation-integrated system, the design of the transmitted signals and the processing of the received signals are crucial for

achieving efficient communication and high-precision navigation. To this end, the evolution process of the communication and navigation fusion was first outlined. Then, it focused on the design of transmitting signals and the processing of receiving signals, the relevant

schemes included the layout of the frame structure and the receiver were emphasized, respectively. Finally, the challenges and potential

solutions that lie ahead in the future were explored.

Keywords: LEO satellite, integration of communication and navigation, design of the transmitted signal, processing of the received

signal

0 引言

近年来，低轨卫星通信系统进入高速发展阶段，国内

外相继大幅度增加了卫星部署规模，计划未来建造包含大

量低轨卫星的低轨巨型星座。英国一网（OneWeb）公司

宣布构建包含 648 颗卫星的低轨卫星系统[1]；美国太空探

索技术（SpaceX）公司提出“星链”计划，将在近地轨道

分 3 层部署约 1.2 万颗卫星[2]；美国亚马逊公司提出“柯

伊伯（Kuiper）”项目，计划将 3 236 颗卫星送入近地轨道[3]；

韩国三星公司预备发射 4 600 颗低轨微型卫星实现“太空

收稿日期：2023−06−01；修回日期：2023−09−01

基金项目：北京市科技计划项目(No.Z221100007722012)

Foundation Item: Beijing Municipal Science and Technology Project (No.Z221100007722012)

第 3 期 刘炳宏等：低轨卫星通导一体化信号设计及处理 ·41·

互联网”计划[4]。2020 年，中国向国际电信联盟（ITU）

提交星座计划申请，拟发射 12 992 颗卫星组建“星网工

程”[5]。

通信与导航的一体化（简称为通导一体化）是当前卫

星通信和导航领域研究的热点之一。传统的卫星通信系统

和导航系统相对独立，然而，随着通信和导航需求的不断

增加，对于更高效、更灵活的通信和导航服务的需求日益

迫切。传统全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite

System，GNSS）通常由中地球轨道（Medium Earth Orbit，

MEO）卫星和地球同步轨道卫星构成，卫星轨道高度高、

运行速度慢，导航信号传输过程中衰减严重，且数据传输

速率低[6]。相较于 GNSS，低轨通信卫星轨道高度低，导

航信号的空间传播损耗低，信号到达地面终端的功率高、

抗干扰能力强；低轨卫星运行速度快，多普勒频移大，有

助于基于多普勒效应的定位测量；低轨通信卫星本身用于

通信服务，数据传输速率高，可有效减少星历接收时间，

提升定位收敛速度和系统灵敏度[7]。针对上述 GNSS 的不

足和低轨通信卫星的优势，面向低轨卫星通导一体化的研

究应运而生，利用低轨卫星所提供的通信信号、时频信息，

在低轨卫星上将通信与定位、导航和授时（Position，

Navigation and Timing，PNT）功能整合，从而提供更加全

面和多样化的服务。铱星的定位与授时（Satellite Time and

Location，STL）信号体制是对通导一体化的初步尝试，通

过在原通信系统上的窄带寻呼信道传输导航信息，可以显

著增强 PNT 能力。

（1）低轨卫星通导一体化系统的演进过程

低轨卫星通导一体化系统的演进过程可以分为以下

几个阶段：基于低轨卫星机会信号（Signal of Opportunity，

SOP）的导航系统[8]；低轨卫星辅助导航增强系统[9]；低轨

卫星通导一体化系统[10]。通过逐步整合不同阶段的技术和

功能，系统能够逐步提升性能和功能。从最初的基于低轨

卫星 SOP 的导航系统到低轨卫星辅助导航增强系统，再到

完全融合的通导一体化系统，系统的可用性、可靠性和精

度都得到了显著改善。这种演进过程反映了对于更高效、

更全面的低轨卫星通导一体化系统的需求，推动着技术和

应用的不断发展。

① 基于低轨卫星 SOP 的导航系统

该阶段主要基于环境中存在的低轨卫星的 SOP 进行

导航定位。来自低轨卫星的 SOP 具有信号功率高、覆盖广、

抗干扰以及无须增减基础设施等优点，因此可以借助低轨

卫星的 SOP 实现定位。对低轨卫星 SOP 进行处理获得多

普勒频率估计，并利用其作为定位观测信息，结合卫星两

行轨道根数（Two-Line Elements，TLE）[11]及轨道预测模

型所得的卫星轨道信息，采用瞬时多普勒定位技术实现定

位的解算。基于低轨卫星 SOP 的导航在室内、城市和恶劣

环境下的导航等方面具有广泛的应用前景，然而也面临包

括信号多径效应、信号稀疏性、多个无线信号源的互相干

扰等挑战。

② 低轨卫星辅助导航增强系统

随着对导航精度和可靠性要求的提高，低轨卫星辅助

导航增强系统应运而生。在这一阶段中，引入低轨卫星以

弥补传统导航系统在信号可见性及覆盖范围等方面的不

足。具体而言，低轨卫星可以提供信号增强和信息增强功

能。在信号增强中，低轨卫星作为导航信号的增强源，能

够独立产生测距信号，从而与现有的 GNSS 信号进行联合

定位，且低轨卫星到观测站几何结构的快速变化能够有效

缩短精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）[12]的

收敛时间，提升卫星导航服务的可靠性、可用性与连续性；

而在信息增强中，基于低轨通信卫星的强大通信能力，提

供高带宽和低时延的 GNSS 差分信息增强服务，可以有效

解决GNSS接收机在弱信号条件下捕获和跟踪灵敏度低等

问题。

③ 低轨卫星通导一体化系统

该阶段通过共享卫星资源、优化频谱利用、融合发送

信号设计和接收信号处理等措施，实现通信与导航功能的

完全融合。这种一体化的系统可以灵活配置资源，提高资

源的利用效率；同时通信与导航协同，通过在通信信号中

嵌入导航数据，并利用通信系统的安全机制和干扰抑制等

技术，增强系统的抗干扰能力和数据传输的安全性。此外，

提供更为全面、高效的卫星服务，从而满足终端用户的多

样化业务需求。

（2）低轨卫星通导一体化信号体制

随着通信与导航应用的日益多样化，用户对于同时获

得高质量通信和精准导航服务的需求不断增长。传统的通

信和导航系统往往采用不同的信号体制，导致用户需要从

不同的卫星系统获取服务以满足差异化的应用需求；传统

的卫星通信和导航系统在频谱分配上存在重叠和浪费的

情况，导致频谱资源的低效利用。因此，需要开展低轨卫

星通导一体化信号体制研究，通过对载波频段选取、通导

一体化帧结构设计以及调制编码方式选择等，提供一种统

一的信号体制。通过对发送信号的精心设计，可以实现通

信数据的高效传输和可靠传达，同时融合导航功能，确保

定位和导航的准确性。此外，在接收端需要对接收到的信

号进行处理和解析，以提取有用信息，并进行相应的导航

·42· 天地一体化信息网络 第 4 卷

定位和通信解码。通过接收端信号处理，系统可以有效应

对信号干扰和噪声，提高通信质量和导航精度。

1 低轨卫星通导一体化发射信号设计

低轨卫星通导一体化的基本框架由空间段、地面段和

用户段构成。下面主要关注空间段的发射信号设计，包括

信号帧结构设计、带宽及中心频率选择、信号调制和信道

编码方式等。

1.1 帧结构

（1）基于低轨卫星 SOP 的系统

该系统对已存在于周围环境中的泛在无线信号加以

利用，通过对无线信号进行随机接入和融合处理，实现定

位与导航。因此，不涉及对信号帧结构的设计。由于缺乏

导航信息，需要进一步借助其他来源以获取测距方程中的

未知数。由北美防空司令部（North American Aerospace

Defense Command，NORAD）所制定的 TLE 可以用于弥

补 SOP 导航信息的空缺。TLE 提供了卫星轨道状态的相

关数据，包含卫星的轨道倾角、平均运动速度以及近地点

角距等参数[13]，可用于计算卫星的位置和轨道变化情况，

进行卫星通信和导航。

（2）低轨卫星辅助导航增强系统

该系统中，除播发自身业务信号之外，低轨卫星还可

以独立播发导航增强信号，用以辅助 GNSS 定位信号。为

了实现高精度的定位，需要将时钟差值信息、GNSS 信息

以及低轨卫星自身精密轨道信息播发给用户终端。以“天

象一号”中导航增强信号的设计为例[14]，采用高压缩比、

高更新率的信息帧设计和播发策略，基本帧周期为 1 s，

帧长 1 000 bit，符号速率为 1 kbit /s。低轨卫星辅助导航增

强系统的基本帧结构如图 1 所示。每个电文数据帧的长度

为 486 bit，其中最高位的 6 bit 用于表征消息类型，中间

456 bit 为电文数据，最低位的 24 bit 用于循环冗余校验

（Cyclic Redundancy Check，CRC）。该电文数据帧经过低

密度奇偶校验（Low-Density Parity Check，LDPC）编码之

后得到 972 bit 的电文符号。此外，卫星编号为伪随机噪声

码（Pseudo-Random Noise Code，PRN）编号，与卫星唯

一对应，因此可以依据 PRN 对不同卫星进行区分；预留

标识位用于指示 PPP 的服务状态，当其高位为 0 时表明卫

星的 PPP 服务可用，否则 PPP 服务不可用。

图 1 低轨卫星辅助导航增强系统的基本帧结构

（3）低轨卫星通导一体化系统

首先给出低轨卫星通导一体化系统中单支路传输信

号帧结构如图 2 所示。

铱星的 STL[15]信号体制即采用该种帧结构，同一支路

上既有导航定位信息又有通信信息，借助时分复用（Time

Division Multiplexing，TDM）技术将导航电文与通信数据

交替传输，在不影响地面用户正常通信的同时为其提供导

航定位。上述导航与通信交替的组合电文经同一 PRN 扩

频后调制到载波上。此时扩频码分为两段：前段采用短码

调制包含用户 ID、通信电文时间信息以及导航定位信息在

内的电文，利于快速捕获；后段采用长码调制通信电文，

提升测距精度和抗干扰能力。此时传输信号表示为

x t Ap t s t ft ( ) ( ) ( )sin(2  π ) （1）

其中， A 为扩频码的振幅， p( )t 为扩频码，s( )t 为导航定

位信息或通信信息， f 和 为载波频率和相位。考虑通信

链路的双向性，上述体制容易导致地面终端信息暴露，且

导航电文间断发送，难以满足地面终端的持续定位需求。

进一步地，提出了双支路的通导融合模式，其信号帧

结构如图 3 所示。在帧结构中，每个帧包含两条正交的支

路：I 支路和 Q 支路。其中 I 支路为导航信号传输支路，

传输通过扩频调制的 PRN 和简单的导航电文；Q 支路为

通信信号传输支路，传输通过扩频调制的语音、指令等通

信数据。具体而言，在进行扩频调制时，Q 支路采用长码

作为 PRN 以提升测距精度、保密性及抗干扰性能；I 支路

图 2 低轨卫星通导一体化系统中单支路传输信号帧结构

第 3 期 刘炳宏等：低轨卫星通导一体化信号设计及处理 ·43·

采用短码作为 PRN，且以较低的速率进行传输，以便于定

位信息的快速捕获，同时引导通信段长码的跟踪。

图 3 低轨卫星通导一体化系统中双支路传输信号帧结构

此时传输信号表示为

nn n n n

cc c c c

( ) ( ) ( )sin(2π )

( ) ( )cos(2π )

xt Ap ts t ft

Ap t s t ft





 

 

（2）

其中， n p ( )t 和 c p ( )t 分别为导航扩频码和通信扩频码，An

和 Ac 代表其对应的振幅。 n s ( )t 和 c s ( )t 分别为导航定位信

息和通信信息， nf 和n 代表导航定位信息的载波频率和

相位， cf 和c 代表通信信息的载波频率和相位。接收端

可以分两条支路对导航信号及通信信号进行分别接收。由

于上述帧结构能够稳定连续地实现测距并提供导航定位

信号，因此相较于单支路信号体制中的导航定位信号不连

续现象，能够提供连续且实时的导航定位服务。此外，仍

保留了强大的通信传输能力，在信号层面上实现了导航与

通信的一体化。

1.2 频带、调制方式选择及信道编码

在频带选择方面，图 4 展示了路径损耗、大气衰减、

天线尺寸、可用带宽资源、吞吐量以及定位精度等通信和

导航指数与频带资源的权衡关系。由此可知，在带宽选择

方面需要综合考量包含系统需求（例如定位精度和吞吐

量）、干扰衰落、连续频谱可用性以及接收机复杂度等在

内的多种因素，进行详细的分析和规划。

图 4 通信和导航指数与频带资源的权衡关系

在调制方式选择方面，宽带通信业务的目标在于实现

高吞吐量，需要高阶调制方案；定位任务的目标在于实现

高可靠传输，对高数据速率需求不大，采用低阶调制方案

即可。因此，通导一体化的信号调制方式的选择需要综合

考量通信传输和导航定位的要求。低轨卫星主要采用数字

调制，调制方式又可以进一步细分为线性调制和非线性调

制[16-17]，其中线性调制通常可以实现较高的传输速率和频

谱效率。相较于线性调制，非线性调制的传输速率和频谱

效率低，但是针对多普勒误差可以实现稍好的鲁棒性，因

而更适用于基于多普勒的定位。此外，针对特定的卫星系

统，存在多种调制方式共存的情况。

在信道编码方面，通过在发送端对信号进行编码，增

加其冗余性，可有效提升信道的传输性能，增加传输信道

的可靠性和容错性，降低误码率。信道编码的种类包括线

性分组码、卷积码、LDPC 码、Turbo 码以及 Polar 码，其

中应用于低轨卫星的编码主要包括线性分组码、卷积码和

LDPC 码[19-20]等。

2 接收信号处理

本文主要关注用户段的接收信号处理，包括：接收机

接收卫星信号并解码；根据多个接收信号计算距离并确定

接收机位置；纠正由于大气层导致的延迟、多径效应、电

离层效应、对流层效应以及相位缠绕效应等造成的误差；

输出包括位置、速度和方向等信息在内的定位结果。用户

段的核心是接收机的设计及信号处理，接收机根据给定的

系统信号进行信号截获、纠错和 PNT 计算。因此，下面

将聚焦接收机的设计环节，分别面向基于低轨卫星 SOP

的系统、低轨卫星辅助导航增强系统以及低轨卫星通导一

体化系统展开分析。

2.1 基于低轨卫星 SOP 的系统

在基于 SOP 的系统中，其接收器由软件定义无线电

（Software Defined Radio，SDR）和测高仪组成。由于 SDR

的灵活性，导航信息的处理可以通过扩展卡尔曼滤波器

（Extended Kalman Filter，EKF）或加权非线性最小二乘估

计器来执行。图5给出了基于低轨卫星SOP的接收机架构，

包含跟踪环路和导航处理器等。

图 5 基于低轨卫星 SOP 的接收机架构

具体而言，首先，将天线所接收到的所有可见的低轨

卫星信号与相应的中频信号进行混合，将其划分到不同信

·44· 天地一体化信息网络 第 4 卷

道上进行传输；其次，各路信号分别经过低通滤波器获得

指定的带宽，其中低通滤波器带宽被设置为大于二分之一

符号周期且能够容纳多普勒频移信号。在滤波之后，获取

的信号被传递到跟踪环路，所产生的多普勒频移被进一步

传递到 EKF 进行处理从而计算精确的位置或状态向量（包

括位置、速度和时间）。

2.2 低轨卫星辅助导航增强系统

在低轨卫星辅助导航增强系统中，低轨卫星对 GNSS

导航信号的增强可以通过辅助提升其捕获灵敏度来实

现。假设低轨卫星通过其通信信道传输 GNSS 导航星历，

图 6 给出了低轨卫星辅助导航增强系统的接收机架构。

图 6 低轨卫星辅助导航增强系统的接收机架构

接收机包含低轨卫星模块和 GNSS 模块，两模块皆用

于定位服务且共用一个振荡器作为频率源。GNSS 模块可

与低轨卫星模块共享从低轨卫星信号所获取的信息。首

先，通过对低轨卫星信号进行基带处理，从中提取多普勒

辅助信息和 GNSS 导航星历信息。接收机的初始位置可由

多普勒信息估计获得。接收机利用位置信息和 GNSS 导航

星历来计算接收机与 GNSS 卫星之间的视距链路。在估计

的伪距和多普勒辅助信息的帮助下，频率和码搜索间隔显

著减少，从而实现捕获效率的提升。接收机可以借助多普

勒定位算法估计初始时钟频率，并将轨道、时间、多普勒

频移、GNSS 导航星历信息等作为辅助信息，以扩展相干

积分时间，从而提高信噪比、有效压缩带宽并提升捕获跟

踪的灵敏度。综上所述，通过缩小频率搜索空间以及借助

LEO 模块传递星历，可以有效改善微弱信号环境下 GNSS

信号的接收。

2.3 低轨卫星通导一体化系统

针对单支路传输的通导融合信号，由于采用分时方式

交替传输导航定位信息或通信信息，本质上属于 TDM，

因此接收端只需要采用严格同步的时隙分割方式以及与

发送端完全相同的接收顺序，就可以将分时传递的导航信

号和通信信号进行分离和还原，以获得对应的导航定位信

息和通信数据。单支路低轨卫星通导融合系统接收机架构

如图 7 所示。具体而言，通过天线接收卫星信号，高频卫

星信号经滤波放大处理后与本地振荡器混频，将信号下变

频至中频模拟信号，再经过脉冲编码调制（Pulse Code

Modulation，PCM）解码获得数字中频信号。之后，通过

TDM 解复用器将通信信号和导航信号进行还原，还原后

的信号由分路开关依次接通各分路，在各分路中经基带信

号处理后获得对应的通信数据和导航定位信息。

类似的，针对双支路传输的通导融合信号，接收端可

以分两条支路对导航信号及通信信号采用导航接收机和

通信接收机进行分别接收。双支路低轨卫星通导融合系统

接收机架构如图 8 所示。具体而言，针对混频所得的模拟

中频信号，经过带通滤波器分别获得 Q 支路通信信号和 I

支路导航信号。此后，经基带信号处理后获得对应的通信

数据和导航定位信息。

在接收机接收信号之外，还需要进行位置的解算。

用于位置解算的卫星无线电业务主要包括卫星无线电定

位服务（Radio Determination Service of Satellite，RDSS）

和卫星无线电导航服务（Radio Navigation Service of

Satellite，RNSS）[21]。RDSS 中，位置解算由终端用户外

的控制系统完成，并将结果发送给用户，该服务仅需要 2

颗卫星参与，但需要信关站的配合，因此适用于低轨星座

建设初期，覆盖重数不足 4 重时的情况。而在 RNSS 中则

是由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少到 4 颗

图 7 单支路低轨卫星通导融合系统接收机架构

第 3 期 刘炳宏等：低轨卫星通导一体化信号设计及处理 ·45·

卫星的距离测量和位置解算。在 RNSS 中，根据卫星定位

观测信息的性质可以将定位方法分为伪距定位、多普勒定

位以及载波相位定位[22]；根据接收机是否有参考基准又可

以将定位方法分为单点定位[12]和多点定位[23]，其中前者包

括单点定位（Single Point Positioning，SPP）和 PPP，后者

包括相对定位和差分定位等。

图 8 双支路低轨卫星通导融合系统接收机架构

3 下一步研究方向

未来，低轨卫星通导一体化信号设计及处理还需要在

以下几方面开展进一步的研究。

（1）大规模 MIMO 辅助通导一体化

低轨卫星通导一体化系统可能面临覆盖范围受限问

题，难以满足大范围区域的通信及导航需求，且抗干扰

能力有限，易受外界干扰噪声影响。为了克服上述问题，

引入大规模 MIMO 技术，不仅可以利用低轨卫星进行常

规的卫星-地球通信，还可以增强基于低轨卫星的定位服

务[24]。具体而言，通过天线阵列实现空分复用，从而增加

信道链路容量、服务质量以及传输速率，且波束赋形可以

通过使用空时分组编码来扩展每颗低轨卫星在地球上的

覆盖区域，从而增加用户终端的数量。在定位层面，通过

多个天线阵列接收导航信号，可以减少多径效应和信号衰

减，提高导航信号的稳定性和定位精度。此外，通过设计

特定时间仅在地球特定点可见的特定的波束模式，并且将

机器学习算法与波束模式相结合[25]，可以实现基于波束成

形的定位。同时，在波束成形中使用大量天线有助于集中

能量，从而提高效率，降低对拥塞和干扰的敏感性。

（2）通导一体化信号波形及协议设计

通信波形和导航波形设计所关注的关键性能指标存

在显著差异：通信波形主要关注误码率、功耗以及多径抑

制性能；导航波形则主要关注定时精度、定位精度以及抗

多径干扰性能等。因此通导一体化信号波形设计首先需要

明确关键性能指标，既要满足可靠通信的需求，又要实现

更高的测距和定位精度。可以在通信信号的基础上对通导

一体化信号波形进行设计[26]，其中，波形包含多个数据通

道及导频通道，各通道采用速率不同但周期相同的 PRN

进行扩频，可以通过增加导频通道数量、提升 PRN 速率

等手段提升定时精度。此时，通信与导航信号能够共存于

一个波形，在有效控制二者相互干扰的同时，还需满足通

信低误码率以及导航高定时精度的需求。

此外，由于融合了通信和导航功能，涉及多种信号处

理和协议设计方面的复杂性，通导一体化的信号协议设计

面临一系列难题。例如，差异化应用对于导航电文和通信

数据的传输具有不同的优先级需求，协议设计需要考虑如

何根据不同应用类型及终端业务需求设置优先级，以保障

系统的性能和效率。

（3）空天地联合通导一体化

当前所讨论的通导一体化网络大多基于卫星系统所

构建，然而在复杂环境下面临信号衰减严重的问题，难以

实现精准定位，且易受到干扰、窃听和欺骗攻击，安全性

难以保障。而由于蜂窝通信信号的普遍存在，利用 5G 信

号进行定位已成为GNSS系统故障地区的一种有效的替代

方案[27]。首先进行时域的粗估计，信号通过相关积分可在

时域获得大致测距范围；然后进行频域的精估计，得到载

波间相位信息，并根据相位差实现高精度的测距。因此，

未来可将空间卫星通导一体化系统与地面通导一体化系

统联合，构建更加完善和高效的综合通信与导航服务体

系，进一步拓展通导一体化技术的应用场景和发展空间，

提供更全面、高效、稳定和安全的通信与导航服务。

4 结束语

低轨卫星通导一体化作为现代通信与导航领域的重

要发展方向，融合了导航和通信的多重优势，具有巨大的

应用潜力和优势。本文针对低轨卫星通导一体化系统，探

索了发送端和接收端信号处理的基础理论和关键技术，同

时展望了未来发展需求，期望为低轨卫星通导一体化网络

实现高效可靠发展提供参考。

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